Đơn vị khối lượng nguyên tử (AMU) là gì?

Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu), hay còn được gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất hoặc dalton (Da), là một đơn vị khối lượng rất nhỏ được sử dụng để biểu thị khối lượng nguyên tử theo khối lượng nguyên tử của đồng vị carbon 12. Nó được định nghĩa bằng một phần mười hai khối lượng của nguyên tử carbon-12 nguyên chất (khi nó không liên kết với bất kỳ nguyên tử nào khác).

Định nghĩa của đơn vị khối lượng nguyên tử được gán cho nguyên tử carbon-12 với một khối lượng chính xác là 12 amu. Bằng cách sử dụng đơn vị này, khối lượng của tất cả các nguyên tử khác sẽ được biểu thị dưới dạng bội số hoặc phân số của khối lượng nguyên tử carbon-12. Vì lý do này, vào thời điểm khi được tạo ra, đơn vị khối lượng nguyên tử này chỉ là một thang đo tương đối về khối lượng nguyên tử, tương tự như các thang đo khác đã được công nhận trước đó. Tuy nhiên, khi khối lượng thực tế của nguyên tử carbon được tính toán ra, và từ đó giá trị tuyệt đối của đơn vị khối lượng nguyên tử cũng có thể được xác định, amu đã trở thành một thang đo khối lượng tuyệt đối tương tự như gram, pound và tấn.

Giá trị của đơn vị khối lượng nguyên tử

Khái niệm và giá trị của đơn vị khối lượng nguyên tử được liên kết chặt chẽ với khái niệm ban đầu mà Avogadro đề xuất về mol. Ông đã định nghĩa một mol là số lượng hạt nguyên tử có trong 12 gam của một mẫu đồng vị cacbon-12 nguyên chất 100%. Vào thời điểm đó, con số này chưa được biết đến, nhưng ngày nay thì chúng ta đã biết rõ về nó; giá trị của nó được gọi là số Avogadro và xấp xỉ 6,022.10 ²³ (giá trị hiện tại được chấp nhận cho số này chính xác là 6,0221367.10 ²³ hạt nguyên tử trên mỗi mol).

Sau khi số Avogadro được xác định, chúng ta có thể biết được khối lượng của một nguyên tử cacbon-12 đơn lẻ. Bằng cách chia giá trị này cho 12, chúng ta sẽ biết được giá trị của đơn vị khối lượng nguyên tử. Mối quan hệ rất đơn giản:

Như vậy, Theo định nghĩa, nếu một mol nguyên tử cacbon-12 nặng đúng 12 gam, và chúng ta biết rằng có 6,0221367.10 ²³ nguyên tử trong 1 mol, thì mỗi nguyên tử cacbon-12 nặng:

Bây giờ, sử dụng định nghĩa của đơn vị khối lượng nguyên tử, chúng ta có được:

Do đó đơn vị khối lượng nguyên tử có giá trị 1,660540,10 ^-27 kg

Tại sao chúng ta sử dụng amu?

Bất kỳ khối lượng nào, bao gồm cả khối lượng của một nguyên tử, đều có thể được biểu thị bằng các đơn vị khối lượng khác nhau, từ gam, pound và ounce cho đến tấn; tuy nhiên, các đơn vị này thường được sử dụng tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Ví dụ, chúng ta thường biểu thị trọng lượng của mình bằng pound hoặc Kilogram, chứ không phải tấn. Chúng ta cũng không biểu thị khối lượng của một chiếc Boeing 747 bằng gam hoặc miligam; mà chúng ta thường tính khối lượng của nó bằng tấn.

Vì vậy, khi áp dụng logic tương tự và xem xét rằng các nguyên tử là vô cùng nhỏ, sẽ không thuận tiện khi chúng ta sử dụng các đơn vị trên như gam, kg, tấn… để biểu thị khối lượng nguyên tử. Đó là lý do tại sao đơn vị khối lượng nguyên tử ra đời, nó cho phép biểu thị khối lượng nguyên tử một cách thuận tiện hơn.

Vì các nguyên tử rất nhỏ nên đơn vị khối lượng nguyên tử cũng nhỏ tương ứng như vậy.

Đơn vị khối lượng nguyên tử và số khối

Có một sự trùng hợp đặc biệt, là định nghĩa của đơn vị khối lượng nguyên tử đã làm cho khối lượng biểu thị của các nguyên tử có giá trị rất giống với số khối mà chúng ta đã biết. Số khối biểu thị tổng số nucleon, nghĩa là tổng số proton và neutron có trong hạt nhân của nguyên tử. Trên thực tế, trong trường hợp nguyên tử cacbon-12, số 12 biểu thị chính xác số khối và chỉ đối với nguyên tử này, số này trùng khớp chính xác với khối lượng của nguyên tử được biểu thị bằng amu.

Vì hạt nhân carbon-12 chứa 6 proton và 6 neutron, nên theo một cách nào đó, đơn vị khối lượng nguyên tử đại diện cho khối lượng trung bình của hai nucleon. Vì lý do này, đối với hầu hết các nguyên tử, số khối rất giống với khối lượng nguyên tử của nó được biểu thị bằng amu. Tuy nhiên, chúng không giống nhau, và không đề cập đến cùng một đại lượng vật lý. Số khối không phải là khối lượng, mặc dù tên của nó làm cho chúng ta liên tưởng đến điều đó.

Khối lượng nguyên tử so với khối lượng mol của nguyên tử

Cuối cùng, chúng ta cần giải thích rõ ràng thêm về các thuật ngữ trọng lượng nguyên tử, khối lượng nguyên tử và khối lượng mol của nguyên tử. Khi chúng ta nói về trọng lượng nguyên tử hoặc khối lượng nguyên tử, chúng ta đang nói đến trọng lượng hoặc khối lượng của một nguyên tử đơn lẻ. Ví dụ, khi được biểu thị bằng dalton, khối lượng nguyên tử của carbon-12 là 12 amu, như chúng ta đã biết ở trên.

Tuy nhiên, nhiều bạn học sinh thường hay nhầm lẫn khi nói rằng, khối lượng nguyên tử của cacbon là 12g hoặc tệ hơn là 12 g/mol. Hiểu lầm đầu tiên khá nghiêm trọng, vì một nguyên tử carbon đơn lẻ, một thứ nhỏ đến mức chỉ có thể nhìn thấy nó qua kính hiển vi tiên tiến nhất thế giới, không thể có khối lượng là 12g, tức tương đương với một thìa đường lớn.

Hiểu lầm thứ hai thường phổ biến hơn nhiều, đến nỗi nhiều chuyên gia hóa học cũng mắc phải: họ thường bị nhầm lẫn giữa khối lượng nguyên tử (nghĩa là khối lượng của một nguyên tử) và khối lượng mol nguyên tử (nghĩa là khối lượng của một mol nguyên tử). Sự nhầm lẫn này phát sinh là do sự nhầm lẫn về định nghĩa của đơn vị khối lượng nguyên tử và đơn vị khối lượng mol, khối lượng mol tính bằng số gram trên một mol (g/mol), còn khối lượng nguyên tử tính bằng amu.

Ví dụ sử dụng đơn vị khối lượng nguyên tử

• Khối lượng của nguyên tử cacbon-13 tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử là 13,003355 amu.
• Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố cacbon (không phải của một nguyên tử cacbon cụ thể) là 12,0107 amu (khối lượng này bao gồm khối lượng trung bình của các đồng vị cacbon tự nhiên, C-12 và C-13).
• Polyme PG5 là phân tử lớn nhất từng được tạo ra bởi con người và có khối lượng hơn 200 triệu dalton hoặc amu. Hình ảnh sau đây cho thấy cấu trúc đơn vị cơ bản của nó.

• Một phân tử DNA của bộ gen người có khoảng 3,3 tỷ cặp bazơ và có khối lượng xấp xỉ 2,2.10 ¹² amu.

• Khối lượng của một người nặng 75 kg, nếu tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử là 4.417.10 ²⁸ amu.

Tài liệu tham khảo

• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Hóa học (tái bản lần thứ 10). Thành phố New York, NY: MCGRAW-HILL.
• Công nghệ DNA tích hợp (nd). Sự thật và những con số về phân tử . Nguồn https://sfvideo.blob.core.windows.net/sitefinity/docs/default-source/biotech-basics/molecular-facts-and-figures.pdf?sfvrsn=4563407_4
• Lazalde, A. (2011). PG5, phân tử lớn nhất từng được tạo ra. Nguồn https://hipertextual.com/2011/01/pg5-la-molecula-mas-grande-jamas-creada
• Marin-Becerra, Armando, & Moreno-Esparza, Rafael. (2010). Khối lượng tương đối và đơn vị mol: Một minh hoạ đơn giản cho một khái niệm khó. Giáo dục Hóa học,  21 (4), 287-290. Truy cập ngày 13/7/2021, nguồn http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0187-893X2010000400005&lng=es&tlng=es.
• Veldhiuis, D. (2011). Tree-like giant là phân tử lớn nhất từng được tạo ra (2011). New Scientist. Nguồn https://www.newscientist.com/article/dn19931-tree-like-giant-is-largeest-molecule-ever-made/