Ký hiệu số hiệu nguyên tử và số khối trong Hóa học HSC

Hai nguyên tử đều có thể là carbon dù một nguyên tử có 6 neutron còn nguyên tử kia có 8 neutron. Thoạt nghe điều này có vẻ lạ. Nếu các hạt nhân khác nhau, tại sao chúng vẫn là cùng một nguyên tố?

Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán đại lượng nào phải giữ nguyên để cả hai nguyên tử vẫn là carbon: số proton, số neutron hay tổng số hạt trong hạt nhân.

Đó phải là số proton. Số proton quyết định nguyên tố. Số neutron có thể thay đổi mà không làm thay đổi nguyên tố, đó là lý do chúng ta cần ký hiệu đồng vị.

01Hai con số bạn cần theo dõi

Hãy hình dung hạt nhân như một chiếc túi nhỏ chỉ chứa proton và neutron.

Có hai đại lượng đếm quan trọng:

• Số hiệu nguyên tử, \(Z\): số proton.
• Số khối, \(A\): tổng số proton và neutron.

Nếu \(N\) là số neutron, thì:

\[
A = Z + N
\]

và do đó:

\[
N = A – Z
\]

Các ký hiệu có nghĩa là:

• \(A\) = số khối, không có đơn vị
• \(Z\) = số hiệu nguyên tử, không có đơn vị
• \(N\) = số neutron, không có đơn vị

Đây đều là số lượng hạt, vì vậy chúng không có đơn vị.

Ví dụ, một hạt nhân chứa 6 proton và 8 neutron có:

\[
A = 6 + 8 = 14
\]

Vì \(Z = 6\), nguyên tố đó là carbon. Nguyên tử cụ thể này là carbon-14.

02Cách hoạt động của ký hiệu đồng vị

Ký hiệu đồng vị được viết dưới dạng:

\[
\ce{^{A}_{Z}X}
\]

Trong đó:

• \(X\) là ký hiệu hóa học
• \(A\) là số khối
• \(Z\) là số hiệu nguyên tử

Đối với carbon-14:

\[
\ce{^{14}_{6}C}
\]

Nếu thấy dễ hơn, hãy đọc từ số phía dưới trước:

1. \(Z = 6\), nên có 6 proton. Số hiệu nguyên tử 6 xác định nguyên tố carbon.
2. \(A = 14\), nên tổng cộng có 14 nucleon.
3. Số neutron là \(14 – 6 = 8\).

Nucleon đơn giản là proton hoặc neutron. Vì vậy, số khối cũng được gọi là số nucleon.

Một mô hình tư duy hữu ích

Hãy coi số hiệu nguyên tử như thẻ căn cước của một nguyên tố. Nếu số proton thay đổi, bạn đã thay đổi nguyên tố.

Số khối giống với số người có mặt trong một bức ảnh nhóm hơn. Bạn có thể thêm hoặc bớt neutron mà vẫn giữ nguyên cùng một “người”, tức là cùng một nguyên tố, nhưng tổng số hạt sẽ thay đổi.

Phép so sánh này không còn phù hợp nếu đẩy nó quá xa. Proton và neutron không phải những “người” có thể thay thế cho nhau. Thay đổi số proton sẽ làm thay đổi điện tích hạt nhân và do đó làm thay đổi chính nguyên tố.

03Các đồng vị có cùng số hiệu nguyên tử

Giả sử bạn có:

\[
\ce{^{12}_{6}C}
\qquad \text{và} \qquad
\ce{^{14}_{6}C}
\]

Điểm nào giống nhau?

Cả hai đều có \(Z = 6\), nên cả hai đều chứa 6 proton. Chúng đều là carbon.

Điểm nào khác nhau?

Số khối của chúng lần lượt là 12 và 14.

Đối với carbon-12:

\[
N = 12 – 6 = 6
\]

Đối với carbon-14:

\[
N = 14 – 6 = 8
\]

Vì vậy, đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố, có cùng số proton nhưng khác số neutron.

Từ đó có quy luật quan trọng sau:

04Cách lập ký hiệu đồng vị

Đôi khi câu hỏi được đặt theo chiều ngược lại. Thay vì đọc một ký hiệu, bạn được cung cấp thông tin về hạt nhân và phải lập ký hiệu.

Hãy làm theo thứ tự này:

1. Tìm số proton. Đây chính là \(Z\).
2. Dùng \(Z\) để xác định nguyên tố.
3. Cộng số proton và số neutron để tìm \(A\).
4. Đặt \(A\) ở phía trên bên trái và \(Z\) ở phía dưới bên trái.

05Bẫy thường gặp nhất: số khối không phải là nguyên tử khối trên bảng tuần hoàn

Quan sát chlorine trên bảng tuần hoàn, bạn có thể thấy một giá trị gần 35.45.

Bạn có nên viết \(A = 35.45\) trong ký hiệu đồng vị không?

Không.

Số khối đếm số proton và neutron trong một hạt nhân cụ thể, vì vậy nó phải là số nguyên. Không thể có 0.45 neutron nằm trong hạt nhân.

Giá trị thập phân trên bảng tuần hoàn thường là nguyên tử khối tương đối. Giá trị này chịu ảnh hưởng của khối lượng và độ phổ biến tương đối của các đồng vị tồn tại tự nhiên của nguyên tố đó.

Vì vậy, đây là những khái niệm khác nhau:

Việc nguyên tử khối tương đối thường không phải là số nguyên không phải là vấn đề. Nó là một giá trị trung bình, không phải số lượng hạt trong một hạt nhân đơn lẻ.

Bạn có thể phát triển thêm ý tưởng này trong Nguyên tử khối tương đối từ thành phần đồng vị.

06Quy tắc quyết định nhanh

Khi nhìn thấy ký hiệu hạt nhân, hãy đặt các câu hỏi sau theo thứ tự:

1. \(Z\) là bao nhiêu? Điều này cho biết số proton và xác định nguyên tố.
2. \(A\) là bao nhiêu? Điều này cho biết tổng số proton và neutron.
3. Cần tìm số neutron? Tính \(A – Z\).
4. Đang so sánh các đồng vị? Kiểm tra xem \(Z\) có giống nhau và \(A\) có khác nhau hay không.
5. Thấy điện tích ở phía trên bên phải? Hãy xét nó riêng biệt. Điện tích làm thay đổi số electron, không làm thay đổi số proton hoặc neutron của đồng vị.

07Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Đối với đồng vị \(\ce{^{27}_{13}Al}\), hãy nêu số hiệu nguyên tử, số khối, số proton và số neutron.

Lời giải 1

Đồng vị này có số hiệu nguyên tử 13, số khối 27, 13 proton và 14 neutron.

Số ở phía dưới bên trái là số hiệu nguyên tử:

\[
Z = 13
\]

Vì vậy, có 13 proton.

Số ở phía trên bên trái là số khối:

\[
A = 27
\]

Số neutron là:

\[
N = A – Z = 27 – 13 = 14
\]

Do đó, \(\ce{^{27}_{13}Al}\) chứa 13 proton và 14 neutron. Lỗi thường gặp là coi 27 là số neutron. Thực ra, đó là tổng số proton và neutron.

Câu hỏi 2

Một nguyên tử chứa 20 proton và 22 neutron. Hãy lập ký hiệu đồng vị của nó.

Lời giải 2

Ký hiệu đồng vị là \(\ce{^{42}_{20}Ca}\).

Số hiệu nguyên tử bằng số proton:

\[
Z = 20
\]

Số hiệu nguyên tử 20 tương ứng với calcium, \(\ce{Ca}\).

Số khối là:

\[
A = Z + N = 20 + 22 = 42
\]

Do đó:

\[
\ce{^{42}_{20}Ca}
\]

Đây là calcium-42. Bước quan trọng là xác định nguyên tố từ \(Z = 20\), chứ không phải từ số khối 42.

Câu hỏi 3

Xét \(\ce{^{35}_{17}Cl}\) và \(\ce{^{37}_{17}Cl}\).

Chúng có phải là các đồng vị của cùng một nguyên tố không? Hãy nêu số neutron trong mỗi hạt nhân và giải thích kết luận của bạn.

Lời giải 3

Có. Chúng là các đồng vị của chlorine, lần lượt chứa 18 và 20 neutron.

Cả hai hạt nhân đều có:

\[
Z = 17
\]

nên cả hai đều chứa 17 proton. Cùng số proton có nghĩa là chúng thuộc cùng một nguyên tố.

Đối với \(\ce{^{35}_{17}Cl}\):

\[
N = 35 – 17 = 18
\]

Đối với \(\ce{^{37}_{17}Cl}\):

\[
N = 37 – 17 = 20
\]

Chúng có cùng số hiệu nguyên tử nhưng khác số khối vì chứa số neutron khác nhau. Đây chính xác là đặc điểm khiến chúng trở thành các đồng vị.

Câu hỏi 4

Một học sinh muốn biểu diễn argon-40 và viết \(\ce{^{18}_{40}Ar}\).

Hãy giải thích ký hiệu này sai ở đâu và viết ký hiệu đồng vị đúng.

Lời giải 4

Hai số đã bị đảo vị trí. Ký hiệu đúng là \(\ce{^{40}_{18}Ar}\).

Argon có số hiệu nguyên tử:

\[
Z = 18
\]

Vì vậy, số hiệu nguyên tử phải được viết ở phía dưới bên trái.

Tên argon-40 cho chúng ta biết số khối của nó là:

\[
A = 40
\]

Số khối được viết ở phía trên bên trái.

Do đó, ký hiệu đúng là:

\[
\ce{^{40}_{18}Ar}
\]

Cách viết của học sinh không chỉ đơn thuần là ký hiệu trình bày sai. Nếu \(Z\) thực sự bằng 40, hạt nhân sẽ chứa 40 proton và hoàn toàn không phải là argon. Ký hiệu hóa học và số hiệu nguyên tử phải phù hợp với nhau.

Câu hỏi 5

Ba tiểu phân được cho như sau:

\[
\ce{^{40}_{18}Ar}
\qquad
\ce{^{40}_{19}K+}
\qquad
\ce{^{41}_{19}K+}
\]

Hãy xác định hai tiểu phân nào là các đồng vị của cùng một nguyên tố. Sau đó, xác định một cặp có cùng số khối nhưng không phải là một cặp đồng vị. Giải thích vì sao điện tích \(+\) không ảnh hưởng đến cả hai kết luận.

Lời giải 5

\(\ce{^{40}_{19}K+}\) và \(\ce{^{41}_{19}K+}\) là các đồng vị. \(\ce{^{40}_{18}Ar}\) và \(\ce{^{40}_{19}K+}\) có cùng số khối nhưng không phải là các đồng vị.

Hai tiểu phân potassium đều có:

\[
Z = 19
\]

nên chúng có cùng số proton và thuộc cùng một nguyên tố. Số khối của chúng khác nhau:

\[
A = 40 \quad \text{và} \quad A = 41
\]

Do đó, chúng là các đồng vị.

Argon-40 và potassium-40 đều có:

\[
A = 40
\]

nhưng số hiệu nguyên tử của chúng khác nhau:

\[
Z_{\ce{Ar}} = 18
\qquad
Z_{\ce{K}} = 19
\]

Vì vậy, chúng là các nguyên tố khác nhau. Việc hai hạt nhân có cùng số khối không khiến chúng trở thành các đồng vị.

Điện tích \(+\) cho chúng ta biết tiểu phân potassium đã mất một electron. Việc mất electron không làm thay đổi hạt nhân, nên không làm thay đổi \(A\), \(Z\) hay bản chất đồng vị.

Sai lầm dễ mắc ở đây là tập trung vào số 40 giống nhau. Khi so sánh các đồng vị, đại lượng đầu tiên cần so sánh luôn là \(Z\).

Câu hỏi 6

Hai nguyên tử trung hòa đều chứa 20 neutron. Nguyên tử P có số khối 39, trong khi nguyên tử Q có số khối 40.

Một học sinh cho rằng chúng chắc chắn là các đồng vị vì có cùng số neutron. Hãy xác định mỗi nguyên tử là nguyên tố nào và đánh giá nhận định của học sinh.

Lời giải 6

Nguyên tử P là potassium-39, nguyên tử Q là calcium-40, và chúng không phải là các đồng vị.

Đối với nguyên tử P:

\[
Z = A – N = 39 – 20 = 19
\]

Số hiệu nguyên tử 19 là potassium, nên nguyên tử P là:

\[
\ce{^{39}_{19}K}
\]

Đối với nguyên tử Q:

\[
Z = A – N = 40 – 20 = 20
\]

Số hiệu nguyên tử 20 là calcium, nên nguyên tử Q là:

\[
\ce{^{40}_{20}Ca}
\]

Lập luận của học sinh không đúng vì các đồng vị được xác định bởi việc có cùng số proton, chứ không phải cùng số neutron.

Hai nguyên tử này tình cờ đều chứa 20 neutron, nhưng một nguyên tử có 19 proton còn nguyên tử kia có 20 proton. Số hiệu nguyên tử của chúng khác nhau, nên chúng là các nguyên tố khác nhau.

Sự phân biệt này trở nên đặc biệt hữu ích khi bắt đầu học về các phản ứng hạt nhân. Trong một phương trình hạt nhân, việc theo dõi số khối và số hiệu nguyên tử cho phép bạn xác định những hạt hoặc hạt nhân nào phải được tạo thành và liệu phương trình có được cân bằng hay không.