Cách đếm proton, neutron và electron trong nguyên tử và ion

Một nguyên tử trung hòa mất hai electron. Hãy dự đoán điều gì xảy ra với điện tích của nó: nó trở nên dương, âm hay vẫn trung hòa?

Nó trở nên dương. Electron mang điện tích âm, vì vậy khi mất hai electron, nguyên tử còn lại điện tích \(2+\). Không có proton nào mới xuất hiện. Chỉ đơn giản là có ít điện tích âm hơn để cân bằng các điện tích dương. :chatgpt-content-reference{index=”0″}

Điểm phân biệt này là chìa khóa để đếm các hạt trong nguyên tử và ion: hãy theo dõi điều gì đã thay đổi, thay vì coi dấu của điện tích như một chỉ dẫn phải thêm hạt.

01Các hạt nằm ở đâu

Hãy hình dung một nguyên tử có một hạt nhân rất nhỏ ở trung tâm, được bao quanh bởi một vùng lớn hơn nhiều chứa các electron. Proton và neutron nằm trong hạt nhân, không nằm cùng vùng với các electron bao quanh. Gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung trong hạt nhân nhỏ bé đó. :chatgpt-content-reference{index=”1″}

Ba loại hạt có điện tích khác nhau. Điện tích tương đối so sánh điện tích của chúng bằng cách lấy một điện tích nguyên tố, tức độ lớn điện tích của proton, làm đơn vị. :chatgpt-content-reference{index=”2″}

Proton và neutron có khối lượng gần tương đương nhau, và cả hai đều nặng hơn electron rất nhiều. Neutron góp phần vào khối lượng nhưng không góp phần vào điện tích. :chatgpt-content-reference{index=”3″}

Để tính điện tích, hãy hình dung ghép các đơn vị điện tích dương và âm thành từng cặp. Mỗi cặp đóng góp bằng không vào tổng điện tích. Những đơn vị không ghép cặp sẽ quyết định điện tích tổng thể.

Việc ghép cặp chỉ là một phép so sánh để minh họa cách cộng các điện tích. Trong thực tế, proton và electron không ghép cặp với nhau rồi biến mất. Chúng nằm ở những vùng khác nhau của nguyên tử.

Hình dung này còn có một giới hạn khác: electron không phải là những hành tinh nhỏ chuyển động trên các quỹ đạo tròn cố định. Các vòng tròn trong sơ đồ lớp electron giúp chúng ta sắp xếp và đếm electron. Chính xác hơn, electron được mô tả bằng các trạng thái năng lượng cho phép và các orbital, mô tả phân bố xác suất của chúng trong không gian. :chatgpt-content-reference{index=”4″}

02Số hiệu nguyên tử và số khối cho biết số hạt trong hạt nhân

Để xác định một nguyên tố, hãy đếm số proton của nó. Thay đổi số neutron hoặc electron không làm thay đổi nguyên tố đó là nguyên tố nào.

Số hiệu nguyên tử, ký hiệu là \(Z\), là số proton. Mọi nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có cùng số hiệu nguyên tử. :chatgpt-content-reference{index=”5″}

Số khối, ký hiệu là \(A\), là tổng số proton và neutron. Các hạt trong hạt nhân này được gọi chung là nucleon, vì vậy số khối cũng được gọi là số nucleon. :chatgpt-content-reference{index=”6″}

Gọi \(p\), \(n\) và \(e\) lần lượt là số proton, neutron và electron. Khi đó:

\[ \begin{aligned} Z &= p \\ A &= p+n \\ n &= A-Z \end{aligned} \]

Dòng cuối chỉ là một phép trừ: lấy tổng số hạt trong hạt nhân trừ đi số proton, phần còn lại chính là số neutron.

Đây là số lượng hạt, không phải khối lượng đo bằng gam. Số khối bằng 29 nghĩa là có 29 nucleon, không phải 29 gam.

Trong ký hiệu nguyên tử đầy đủ, số khối nằm ở phía trên bên trái, số hiệu nguyên tử nằm ở phía dưới bên trái và điện tích, nếu có, nằm ở phía trên bên phải. :chatgpt-content-reference{index=”7″}

03Sự hình thành ion làm thay đổi số electron

Ion là một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có điện tích tổng khác không. Ở đây, chúng ta xét ion đơn nguyên tử, mỗi ion được tạo thành từ một nguyên tử.

Trong quá trình tạo ion thông thường do nhận hoặc mất electron, hạt nhân không thay đổi. Số proton và neutron giữ nguyên, vì vậy cả số hiệu nguyên tử và số khối đều giữ nguyên. Bắt đầu từ một nguyên tử trung hòa, mất electron tạo ra ion dương, hay cation, còn nhận electron tạo ra ion âm, hay anion. :chatgpt-content-reference{index=”8″}

Ví dụ, một nguyên tử có 12 proton và 12 electron là trung hòa. Nếu mất hai electron, nó còn 12 proton và 10 electron. Điện tích tương đối của nó là \(12-10=+2\).

Dấu dương không có nghĩa là đã thêm hai proton. Nó mô tả sự mất cân bằng giữa các điện tích vốn đã có.

Tính điện tích mà không cần ghi nhớ các quy tắc riêng biệt

Gọi \(q\) là số điện tích có dấu. Với ion \(2+\), \(q=+2\). Với ion \(2-\), \(q=-2\).

Mỗi proton đóng góp một đơn vị điện tích dương, còn mỗi electron đóng góp một đơn vị điện tích âm. Do đó:

\[ \begin{aligned} q &= p-e \\ e &= p-q=Z-q \end{aligned} \]

Với ion \(2+\), \(e=Z-2\): số electron ít hơn số proton hai hạt.

Với ion \(2-\), \(e=Z-(-2)=Z+2\): trừ một số âm đồng nghĩa với cộng, nên có thêm hai electron.

Dấu điện tích phải phù hợp với số hạt bạn đếm được: ion dương có ít electron hơn proton, còn ion âm có nhiều electron hơn proton.

04Số neutron khác nhau tạo nên các đồng vị khác nhau

Xét hai nguyên tử trung hòa. Mỗi nguyên tử có 12 proton, nhưng một nguyên tử có 12 neutron còn nguyên tử kia có 14 neutron.

Hãy dự đoán xem nguyên tử có thêm hai neutron có cần thêm hai electron để giữ trung hòa hay không.

Không cần. Neutron không mang điện tích, vì vậy cả hai nguyên tử trung hòa đều cần đúng 12 electron. Tuy nhiên, số khối của chúng khác nhau: \(12+12=24\) và \(12+14=26\).

Các nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số neutron là các đồng vị của cùng một nguyên tố. :chatgpt-content-reference{index=”9″}

Đối với hai nguyên tử này, số proton không đổi cho thấy cả hai đều là magnesium. Số neutron khác nhau khiến chúng lần lượt là magnesium-24 và magnesium-26. Cả hai đồng vị đều có thể mất hai electron và tạo thành ion \(2+\).

Vì vậy, đồng vị và ion không phải là hai cách gọi loại trừ lẫn nhau. Một hạt có thể vừa là một đồng vị cụ thể vừa là một ion.

Số khối không phải là giá trị trung bình trên bảng tuần hoàn

Nguyên tử khối tương đối trên bảng tuần hoàn là giá trị trung bình của khối lượng các đồng vị, có tính đến độ phổ biến của từng đồng vị, trên một thang khối lượng tương đối. Nó không phải là số khối của một nguyên tử cụ thể. Đừng làm tròn giá trị trung bình đó để chọn số khối cho một nguyên tử khi đồng vị chưa được xác định. :chatgpt-content-reference{index=”10″}

Nếu không có thông tin về đồng vị, chỉ riêng số hiệu nguyên tử không đủ để xác định số neutron. Cách tính giá trị trung bình này được giải thích trong hướng dẫn của tutorgum về nguyên tử khối tương đối từ thành phần đồng vị.

Ngoài ra, số khối không đổi không có nghĩa là khối lượng chính xác không đổi. Electron có khối lượng, mặc dù số khối không tính electron. :chatgpt-content-reference{index=”11″}

05Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một hạt nhân chứa bảy proton và tám neutron. Cần có bao nhiêu electron bao quanh để nguyên tử trung hòa? Hãy xác định số hiệu nguyên tử và số khối của nguyên tử.

Lời giải 1

Nguyên tử trung hòa cần bảy electron. Số hiệu nguyên tử của nó là 7 và số khối là 15.

Tính trung hòa yêu cầu số proton và electron bằng nhau, nên \(e=p=7\). Bảy electron đóng góp bảy đơn vị điện tích âm, cân bằng với bảy đơn vị điện tích dương từ các proton.

Số lượng hạt trong hạt nhân cho:

\[ \begin{aligned} Z &= p=7 \\ A &= p+n=7+8=15 \end{aligned} \]

Tám neutron góp phần vào số khối nhưng không góp phần vào điện tích. Bảy electron nằm ngoài hạt nhân và không được tính vào số khối.

Câu hỏi 2

Một ion silicon-29 cô lập chứa 12 electron. Nó nhận thêm một electron mà hạt nhân không thay đổi. Silicon có số hiệu nguyên tử 14.

Hãy xác định điện tích của nó trước và sau khi nhận electron, số neutron và ký hiệu đầy đủ sau khi thay đổi.

Lời giải 2

Điện tích của nó thay đổi từ \(2+\) thành \(1+\). Nó có 15 neutron trong suốt quá trình, và ký hiệu cuối cùng là \(\ce{^{29}_{14}Si^+}\).

Silicon có \(p=Z=14\) proton. Ban đầu:

\[ q=p-e=14-12=+2 \]

Sau khi nhận thêm một electron, nó có \(e=12+1=13\) electron:

\[ q=p-e=14-13=+1 \]

Số neutron là:

\[ n=A-Z=29-14=15 \]

Hạt nhân không thay đổi, vì vậy số hiệu nguyên tử vẫn là 14 và số khối vẫn là 29.

Sai lầm dễ mắc là cho rằng hạt cuối cùng mang điện âm vì nó đã nhận một electron. Việc nhận một electron làm điện tích của nó âm hơn, nhưng trong trường hợp này điều đó có nghĩa là chuyển từ \(+2\) xuống \(+1\), chứ chưa chuyển sang giá trị âm.

Câu hỏi 3

Hai ion đơn nguyên tử đều chứa 18 electron và 20 neutron. Ion thứ nhất có điện tích \(1-\), còn ion thứ hai có điện tích \(2+\).

Hãy xác định cả hai ion bằng ký hiệu đầy đủ và cho biết chúng có phải là các đồng vị của cùng một nguyên tố hay không. Chlorine có số hiệu nguyên tử 17 và calcium có số hiệu nguyên tử 20.

Lời giải 3

Hai ion là \(\ce{^{37}_{17}Cl^-}\) và \(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\). Chúng không phải là các đồng vị của cùng một nguyên tố.

Biến đổi \(q=p-e\) ta được \(p=e+q\).

Đối với ion \(1-\):

\[ \begin{aligned} p &= e+q=18+(-1)=17 \\ A &= p+n=17+20=37 \end{aligned} \]

17 proton xác định nó là chlorine. Nó có 20 neutron và 18 electron, nên có ký hiệu \(\ce{^{37}_{17}Cl^-}\).

Đối với ion \(2+\):

\[ \begin{aligned} p &= e+q=18+(+2)=20 \\ A &= p+n=20+20=40 \end{aligned} \]

20 proton xác định nó là calcium. Nó có 20 neutron và 18 electron, nên có ký hiệu \(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\).

Có cùng số electron và cùng số neutron không đủ để kết luận rằng hai hạt thuộc cùng một nguyên tố. Các đồng vị phải có cùng số proton, trong khi hai ion này thì không.

Câu hỏi 4

Một bản ghi về một ion đơn nguyên tử chưa biết cung cấp ba dữ kiện: số khối của nó là 40, nó chứa 18 electron và điện tích của nó là dương.

Một học sinh xác định nó là \(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\). Các dữ kiện có bắt buộc dẫn đến kết luận đó không? Hãy nêu hai ion có thể phù hợp với bản ghi và xác định thêm một phép đo có thể dùng để xác định nguyên tố.

Các số hiệu nguyên tử liên quan là argon, 18; potassium, 19; và calcium, 20.

Lời giải 4

Việc xác định này chưa chắc chắn. Cả \(\ce{^{40}_{19}K^+}\) và \(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\) đều phù hợp với bản ghi. Đo chính xác điện tích của ion sẽ xác định được nguyên tố.

Đối với potassium-40:

\[ \begin{aligned} p &= Z=19 \\ n &= A-Z=40-19=21 \\ q &= p-e=19-18=+1 \end{aligned} \]

Nó có 19 proton, 21 neutron và 18 electron. Số khối của nó là 40 và điện tích là dương.

Đối với calcium-40:

\[ \begin{aligned} p &= Z=20 \\ n &= A-Z=40-20=20 \\ q &= p-e=20-18=+2 \end{aligned} \]

Nó có 20 proton, 20 neutron và 18 electron. Nó cũng thỏa mãn cả ba dữ kiện.

Một hạt argon-40 có 18 electron sẽ trung hòa, vì vậy không đáp ứng yêu cầu mang điện tích dương.

Việc chỉ biết điện tích là dương cho chúng ta biết \(p>18\). Nó không cho biết chính xác số proton. Nếu đo được chính xác điện tích, ta có thể tính \(Z=p=e+q\), từ đó xác định nguyên tố.

Câu hỏi 5

Cùng một hạt riêng lẻ được theo dõi trước và sau một quá trình. Các bản ghi là chính xác:

Một báo cáo khẳng định: “Hạt đã mất một trong các electron bao quanh. Hạt nhân của nó vẫn không đổi vì số khối vẫn là 40.”

Hãy đánh giá khẳng định này bằng cách xác định số proton và neutron trước và sau quá trình.

Lời giải 5

Khẳng định này không đúng. Hạt nhân thay đổi từ 19 proton và 21 neutron thành 20 proton và 20 neutron, trong khi số electron bao quanh vẫn là 18. Phải có một biến đổi hạt nhân.

Trước quá trình:

\[ \begin{aligned} p &= e+q=18+1=19 \\ n &= A-p=40-19=21 \end{aligned} \]

Sau quá trình:

\[ \begin{aligned} p &= e+q=18+2=20 \\ n &= A-p=40-20=20 \end{aligned} \]

Nếu một trong 18 electron ban đầu rời đi trong khi hạt nhân vẫn không đổi, hạt sẽ còn 17 electron bao quanh. Điều đó mâu thuẫn với bản ghi.

Ở đây, điện tích dương tăng lên là do số proton tăng, không phải do số electron bao quanh giảm.

Số khối vẫn là 40 vì có thêm một proton và bớt một neutron. Số khối đếm các hạt này cùng nhau. Tổng số không đổi không chứng minh rằng hạt nhân không thay đổi.

06Từ đây bạn có thể tính tiếp những gì

Trước khi tính toán, hãy tách riêng các thông tin: \(Z\) xác định số proton, \(A-Z\) cho số neutron và điện tích cho biết số electron khác số proton như thế nào.

Khi đã biết một hạt có bao nhiêu electron, bước tiếp theo là xác định cách chúng được sắp xếp. Cấu hình electron của nguyên tử và ion chuyển từ việc đếm electron sang việc sắp xếp chúng vào các mức năng lượng và phân mức năng lượng được phép, là cơ sở để giải thích tính chất hóa học. :chatgpt-content-reference{index=”12″}