Khái niệm khối lượng tương đối đóng một vai trò then chốt trong lĩnh vực hóa học, đặc biệt khi chúng ta đi sâu vào lĩnh vực vi mô của nguyên tử và phân tử. Nó cung cấp một cách để định lượng và so sánh khối lượng của các nguyên tử và phân tử, vốn quá nhỏ để đo trực tiếp bằng thang đo thông thường. Trong bài học này, chúng ta sẽ tìm hiểu ý nghĩa của khối lượng tương đối, cách xác định nó và tầm quan trọng của nó trong việc tìm hiểu thành phần nguyên tử và phân tử.
Về cốt lõi, khối lượng tương đối là một đại lượng không thứ nguyên cho chúng ta biết một nguyên tử hoặc phân tử nặng bao nhiêu so với nguyên tử hoặc phân tử khác. Sự so sánh này thường được thực hiện đối với đồng vị carbon-12, được gán khối lượng nguyên tử tương đối chính xác là 12 đơn vị. Bằng cách đó, các nhà hóa học có được một điểm tham chiếu tiêu chuẩn để so sánh khối lượng của các nguyên tử và phân tử khác nhau. Có hai loại khối lượng tương đối quan trọng trong hóa học: khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng phân tử tương đối.
Khối lượng nguyên tử tương đối (Ar) của một nguyên tố được định nghĩa là khối lượng trung bình của các nguyên tử của nguyên tố đó, có tính đến độ phong phú tự nhiên của các đồng vị của nó, so với 1/12 khối lượng của nguyên tử carbon-12. Về mặt toán học, nó có thể được biểu diễn dưới dạng:
\(A_r = \frac{\textrm{khối lượng trung bình của một nguyên tử}}{\frac{1}{12}\times \textrm{khối lượng của nguyên tử cacbon-12}}\)Ví dụ, khối lượng nguyên tử tương đối của hydro, xét về các đồng vị của nó, là xấp xỉ 1,008. Điều này có nghĩa là, trung bình, một nguyên tử hydro nặng gấp khoảng 1,008 lần so với 1/12 nguyên tử carbon-12.
Tương tự, khối lượng phân tử tương đối (Mr) của một phân tử là tổng khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tử trong phân tử đó. Nếu một phân tử bao gồm nhiều nguyên tử, chúng ta chỉ cần cộng khối lượng nguyên tử tương đối của mỗi nguyên tử để tìm khối lượng tương đối của phân tử. Điều này đặc biệt hữu ích cho các phân tử bao gồm các loại nguyên tử khác nhau. Ví dụ, nước (H₂O) có khối lượng phân tử tương đối khoảng 18,015 (2 x 1,008 đối với hydro + 15,999 đối với oxy).
Mol là đơn vị mà các nhà hóa học sử dụng để kết nối thế giới vi mô của các nguyên tử và phân tử với thế giới vĩ mô mà chúng ta có thể quan sát và đo lường. Một mol của bất kỳ chất nào chứa chính xác 6,022 x 102³ hạt của chất đó, cho dù là nguyên tử, phân tử, ion hay electron. Con số này được gọi là số Avogadro. Khối lượng của một mol một chất, tính bằng gam, bằng khối lượng nguyên tử hoặc phân tử tương đối của nó. Điều này làm cho nốt ruồi trở thành một phương pháp có tính thực tế cao để đo các chất trong phòng thí nghiệm.
Để tính số mol ( \(n\) ) trong một khối lượng nhất định ( \(m\) ) của một chất, chúng ta sử dụng công thức:
\(n = \frac{m}{M_r}\)Trong đó \(M_r\) là khối lượng mol của chất, về mặt số lượng bằng khối lượng phân tử tương đối của nó nhưng được biểu thị bằng gam trên mol (g/mol). Ví dụ, để tìm số mol trong 36 gam nước, chúng ta sử dụng khối lượng phân tử tương đối của nước (18,015 g/mol):
\(n = \frac{36}{18.015} \approx 2 \textrm{ nốt ruồi}\)Hiểu khối lượng tương đối và số mol là nền tảng trong việc tiến hành các phản ứng và thí nghiệm hóa học. Ví dụ, khi kết hợp các nguyên tố để tạo thành hợp chất, việc biết khối lượng tương đối của các nguyên tố cho phép các nhà hóa học trộn chúng theo tỷ lệ chính xác cần thiết cho phản ứng. Điều này đảm bảo rằng tất cả các chất phản ứng đều được tiêu thụ hết, không có dư thừa bất kỳ chất phản ứng nào.
Khối lượng tương đối, bao gồm cả khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng phân tử tương đối, là một khái niệm quan trọng trong hóa học tạo điều kiện thuận lợi cho việc so sánh, đo lường và thao tác các chất ở cấp độ nguyên tử và phân tử. Bằng cách liên kết các đại lượng vi mô này với thế giới vĩ mô thông qua khái niệm mol, các nhà hóa học có thể tính toán và dự đoán chính xác kết quả của các phản ứng và quá trình hóa học. Sự hiểu biết này không chỉ cần thiết cho việc khám phá khoa học mà còn cho các ứng dụng thực tế như y học, kỹ thuật và khoa học môi trường.
