Nguyên tử là gì? Phân tử là gì? Thành phần cấu tạo của nguyên tử? Sự khác biệt chính giữa nguyên tử và phân tử? Cách tính nguyên tử khối?
Mọi vật chất xung quanh chúng ta và bên ngoài vũ trụ đều được cấu tạo bởi các nguyên tử, phân tử. Chính vì thế, nguyên tử và phân tử được cho là một trong những chương trình học quan trọng của bộ môn Hóa học lớp 8 nhằm giúp các bạn hiểu biết về chúng. Vậy nguyên tử, phân tử là gì? Chúng có đặc điểm gì? Cấu tạo của nguyên tử, phân tử gồm những gì?
1. Nguyên tử:
1.1. Nguyên tử là gì?
Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất chứa một hạt nhân ở trung tâm bao quanh bởi đám mây điện tích âm các electron. Nguyên tử có kích thước rất nhỏ với đường kính chỉ bằng khoảng vài phần mười của nano mét, giúp xác định cấu trúc của các nguyên tố.
Các nguyên tử tham gia cấu thành nên những trạng thái vật chất khác nhau và chúng phụ thuộc vào một số yếu tố như: mật độ, nhiệt độ, áp suất. Khi các yếu tố này thay đổi đến một điều kiện giới hạn thì sự chuyển pha vật chất giữa các pha, rắn, khí, lỏng và Plasma sẽ xảy ra.
1.2. Thành phần cấu tạo của nguyên tử:
Nguyên tử được cấu tạo từ 3 loại hạt gồm: proton, electron, neutron. Trong đó, proton và neutron được nằm trong tâm của nguyên tử và chúng có khối lượng nặng hơn electron. Proton và neutron có trọng lượng xấp xỉ nhau khoảng 1800 electron.
Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã xác định được điện tích của hạt Proton là điện tích dương còn hạt Notron thì không mang điện tích nào.
– Proton: Proton là hạt mang điện tích dương và được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử, nó được phát hiện bởi Ernest Rutherford trong những thí nghiệm tiến hành vào những năm từ 1911 – 1919. Số lượng proton giúp xác định được nguyên tử này là nguyên tố gì, chẳng hạn như nguyên tử Cacbon có 6 proton, nguyên tử Hydro có 1 proton và nguyên tử oxi có 8 proton. Số lượng proton trong 1 nguyên tử được gọi là số nguyên tử của nguyên tố này.
– Neutron: Neutron là hạt không mang điện tích và được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử. Nhà hóa học người Mỹ W.D. Harkins đã tiên đoán chính xác về sự tồn tại của neutron vào năm 1920 (như một phức hợp proton-electron) và là người đầu tiên sử dụng từ “neutron” trong mối liên hệ với hạt nhân nguyên tử. Và khối lượng của 1 neutron thường lớn hơn khối lượng của 1 proton.
– Electron: Electron là hạt mang điện tích âm và sẽ bị hút về proton có điện tích dương. Electron có khối lượng xấp xỉ bằng 1/1836 so với của proton. Chúng được J. J. Thomson cùng các cộng sự người Anh phát hiện ra electron có biểu hiện của một hạt cơ bản vào năm 1897. Electron có vai trò cơ bản ở nhiều hiện tượng vật lý, như điện, từ học, hóa học và độ dẫn nhiệt. Ngoài ra nó cũng tham gia vào tương tác hấp dẫn, điện từ và yếu.
1.3. Khối lượng, kích thước của nguyên tử:
– Kích thước của nguyên tử: mỗi nguyên tử có kích thước khoảng 10-10m = 0,1 nm. Nguyên tử nhỏ nhất là nguyên tử H có bán kính r = 0,053 nm. Nguyên tử có đường kính khoảng 10-5 nm, còn đường kính của electron và proton khoảng 10-8 nm.
– Khối lượng của nguyên tử: Để biểu thị khối lượng của một nguyên tử, phân tử hay các hạt e, p, n, người ta dùng đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u, u còn được gọi là đvC.
Ta có: 1u = 1/12 khối lượng của 1 nguyên tử đồng vị Cacbon 12. Nguyên tử này có khối lượng là 19,9265.10-27 kg.
2. Phân tử:
2.1. Phân tử là gì?
Phân tử là một nhóm trung hòa điện tích có nhiều hơn hai nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Các phân tử được phân biệt với các ion do thiếu điện tích.
Một phân tử có thể là hạt nhân, nó bao gồm các nguyên tử của một nguyên tố hóa học, như với Oxy, hoặc nó có thể là hạt nhân, một hợp chất hóa học bao gồm nhiều hơn một nguyên tố, như với nước (H2O).
2.2. Đặc điểm của phân tử:
Nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện tích dương được bao quanh bởi các electron mang điện tích âm. Khi các nguyên tử đến gần nhau, đám mây electron sẽ phản ứng với nhau và với hạt nhân. Nếu tương tác này làm cho tổng năng lượng của hệ giảm xuống, thì các nguyên tử sẽ liên kết với nhau để tạo nên một phân tử.
2.3. Kích thước của phân tử:
Hầu như các phân tử rất nhỏ nên khó có thể thấy bằng mắt thường, mặc dù các phân tử của nhiều polyme có thể đạt kích thước vĩ mô, bao gồm cả các phân tử sinh học như DNA. Các phân tử đơn lẻ thường không thể quan sát bằng mắt nhưng các phân tử nhỏ và thậm chí các đường viền của các nguyên tử riêng lẻ có thể quan sát dưới kính hiển vi. Một số phân tử lớn nhất là đại phân tử hoặc siêu phân tử.
Phân tử nhỏ nhất là hydro (H2) có độ dài liên kết là 0,74.
2.4. Khối lượng của phân tử:
Khối lượng phân tử là tổng khối lượng nguyên tử của các nguyên tử cấu thành nó. Khối lượng phân tử của các phân tử kích thước nhỏ đến trung bình, được đo bằng phép đo phổ khối, xác định phép đo lượng hóa.
Số lượng các phân tử trong một mole là như nhau trong tất cả các chất, con số này được biết đến với cái tên Hằng số Avogadro (6.022140857 × 1023). Khối lượng phân tử có thể được xác định bằng phương pháp khối phổ và bằng các công nghệ dựa trên nhiệt động lực học hoặc hiện tượng vận chuyển động lực.
Khối lượng nguyên tử và phân tử thường được báo cáo trong dalton được xác định tương ứng với khối lượng của đồng vị 12C (carbon 12).
2.5. Liên kết phân tử:
Các phân tử được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion. Một số loại nguyên tố phi kim chỉ tồn tại dưới dạng phân tử trong môi trường. Ví dụ, hydro chỉ tồn tại dưới dạng phân tử hydro. Một phân tử của một hợp chất được tạo thành từ hai hoặc nhiều yếu tố.
– Mỗi cặp electron chung tạo nên một liên kết cộng hoá trị, nên ta có liên kết đơn (trong phân tử H2) , liên kết ba (trong phân tử N3).
– Liên kết trong các phân tử H2, N3 tạo nên từ hai nguyên tử của cùng một nguyên tố (có độ âm điện như nhau) , do đó liên kết trong các phân tử đó không phân cực . Đó là liên kết cộng hoá trị không phân cực.
3. Sự khác biệt chính giữa nguyên tử và phân tử:
– Nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố có thể tồn tại hoặc không tồn tại độc lập, còn phân tử tập hợp các nguyên tử được liên kết với nhau bằng liên kết.
– Nguyên tử có thể tồn tại hoặc không tồn tại ở trạng thái tự do. Còn phân tử sẽ tồn tại ở trạng thái tự do.
– Nguyên tử bao gồm proton, neutron, electron nhưng phân tử bao gồm hai hoặc nhiều nguyên tử giống hệt nhau hoặc khác nhau, kết hợp hóa học.
– Nguyên tử có dạng hình cầu còn phân tử có dạng tuyến tính, góc hoặc hình chữ nhật.
– Các nguyên tử có khả năng phản ứng cao, hiểu đơn giản là chúng tham gia vào phản ứng hóa học mà không bị phân hủy bổ sung thành các đơn vị hạ nguyên tử. Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho các nguyên tử khí cao quý. Ngược lại, các phân tử ít phản ứng hơn, vì chúng không tham gia vào phản ứng hóa học.
– Các nguyên tử sở hữu liên kết hạt nhân, vì nó kéo theo lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và electron. Ngược lại, tồn tại một liên kết hóa học giữa các nguyên tử của một phân tử, vì thế nó bao gồm các liên kết đơn, đôi hoặc ba.
4. Cách tính nguyên tử khối:
Để tính được khối lượng thực của nguyên tử khốI, chúng ta có 3 bước tính:
Bước 1: 1 đvC = 1,6605.10-27 kg = 1,6605.10-24 kg.
Bước 2: Tra bảng nguyên tử khối hóa học của nguyên tố. Chẳng hạn, nguyên tố A có nguyên tử khối là a, tức là A = a.
Bước 3: Khối lượng thực của A: mA= a . 0,166 .10-23 = ? (g).
Ví dụ: Ví dụ bạn có 16g Oxi, hỏi có bao nhiêu nguyên tử Oxi trong 16g?
Giải:
16g là khối lượng được tính bằng gam tương ứng với số nguyên tử.
Áp dụng công thức tính nguyên tử khối: Số nguyên tử = Khối lượng tính bằng gam/Khối lượng tính bằng gam của 1 nguyên tử.
=> Số nguyên tử trong 16g Oxi là: 16/(16.1,6605.10-24) = 6,02.10-23.
1 mol Oxy sẽ có khối lượng 16g = 16 (đvC) => 1 Nguyên tử Oxy có khối lượng 16.1,6605.10-24 (g).