Phân tử khối

Trong thế giới kỳ diệu của hóa học, phân tử khối đóng vai trò như thước đo kích thước của các phân tử, đơn vị cấu tạo nên vật chất. Hiểu rõ về phân tử khối là chìa khóa để giải mã các bí ẩn về cấu trúc, tính chất và sự biến đổi của vạn vật xung quanh chúng ta. Bài viết này, yeuhoahoc.edu.vn sẽ dẫn dắt bạn khám phá khái niệm phân tử khối, cách tính toán và ứng dụng của nó trong hóa học.

Phân tử khối: Khái niệm và cách tính

Định nghĩa:

Phân tử khối là đơn vị đo lường khối lượng của một phân tử, được tính bằng đơn vị đơn vị cacbon (đvC). Phân tử khối được hiểu là tổng khối lượng nguyên tử của các nguyên tử cấu tạo nên phân tử chất đó.

Bảng nguyên tố hóa học:

Bảng nguyên tố hóa học là bảng biểu sắp xếp các nguyên tố theo số hiệu nguyên tử, cấu hình electron, số lớp electron và các tính chất hóa học tương tự nhau. Bảng nguyên tố cung cấp thông tin về khối lượng nguyên tử trung bình của các nguyên tố. Khối lượng nguyên tử trung bình là giá trị trung bình khối lượng của tất cả các đồng vị của một nguyên tố, tính theo tỉ lệ phần trăm số nguyên tử của mỗi đồng vị.

Cách tra cứu khối lượng nguyên tử:

• Mở bảng nguyên tố hóa học.
• Tìm kiếm nguyên tố cần tra cứu.
• Đọc giá trị số ở ô giao thoa giữa hàng và cột chứa nguyên tố đó. Giá trị này chính là khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố.

Lưu ý:

• Khối lượng nguyên tử trung bình được tính theo tỉ lệ phần trăm số nguyên tử của mỗi đồng vị. Do đó, giá trị này có thể không phải là số nguyên.
• Một số nguyên tố có nhiều đồng vị phóng xạ. Khối lượng nguyên tử trung bình của những nguyên tố này có thể thay đổi theo thời gian.

Công thức tính phân tử khối:

Phân tử khối được tính bằng tổng khối lượng nguyên tử của các nguyên tử cấu tạo nên phân tử, theo công thức:

Phân tử khối = Σ (Khối lượng nguyên tử của nguyên tố × Số nguyên tử của nguyên tố)

Ví dụ:

Nước (H2O):

• Một phân tử nước được cấu tạo từ hai nguyên tử hidro và một nguyên tử oxy.
• Khối lượng nguyên tử của H là 1,008 đvC.
• Khối lượng nguyên tử của O là 16,000 đvC.
• Phân tử khối của nước = (2 × 1,008 đvC) + (1 × 16,000 đvC) = 18,016 đvC.

Cacbon đioxit (CO2):

• Phân tử cacbon đioxit gồm 1 nguyên tử C và 2 nguyên tử O.
• Khối lượng nguyên tử của C là 12,011 đvC.
• Khối lượng nguyên tử của O là 16,000 đvC.
• Phân tử khối của cacbon đioxit = (1 × 12,011 đvC) + (2 × 16,000 đvC) = 44,011 đvC.

Axit clohydric (HCl):

• Phân tử axit clohydric gồm 1 nguyên tử H và 1 nguyên tử Cl.
• Khối lượng nguyên tử của H là 1,008 đvC.
• Khối lượng nguyên tử của Cl là 35,453 đvC.
• Phân tử khối của axit clohydric = (1 × 1,008 đvC) + (1 × 35,453 đvC) = 36,461 đvC.

Mối liên hệ giữa phân tử khối và công thức hóa học

Khái niệm công thức hóa học và cách xác định công thức hóa học của hợp chất

Công thức hóa học: là cách biểu diễn bằng ký hiệu hóa học của các nguyên tố cấu tạo nên hợp chất và thể hiện tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tố đó trong phân tử.

Cách xác định công thức hóa học:

Căn cứ vào tỷ lệ các nguyên tử nguyên tố trong hợp chất:

• Xác định tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất bằng phương pháp thực nghiệm (phân tích định lượng, xác định thành phần phần trăm theo khối lượng,…).
• Lập tỉ lệ số nguyên tử các nguyên tố theo số nhỏ nhất rồi rút gọn về tỉ lệ nguyên tử.
• Từ tỉ lệ nguyên tử, lập công thức hóa học đơn giản nhất.
• Xác định phân tử khối của hợp chất.
• Chia phân tử khối cho công thức hóa học đơn giản nhất để tìm ra số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.
• Lập công thức hóa học của các hợp chất.

Dựa vào thành phần phần trăm theo khối lượng của các nguyên tố:

• Xác định thành phần phần trăm theo khối lượng của mỗi nguyên tố trong hợp chất bằng phương pháp thực nghiệm (phân tích định lượng).
• Chuyển đổi thành phần phần trăm theo khối lượng của mỗi nguyên tố thành tỉ lệ số mol.
• Lập tỉ lệ số mol các nguyên tố theo số nhỏ nhất rồi rút gọn về tỉ lệ nguyên tử.
• Từ tỉ lệ nguyên tử, lập công thức hóa học đơn giản nhất.
• Xác định phân tử khối của hợp chất.
• Chia phân tử khối cho công thức hóa học đơn giản nhất để tìm ra số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.
• Lập công thức hóa học thực tế của hợp chất.

Mối quan hệ giữa phân tử khối và tỉ lệ nguyên tố trong công thức hóa học

• Phân tử khối: là tổng khối lượng nguyên tử của các nguyên tử trong một phân tử.
• Tỉ lệ nguyên tố: thể hiện tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tố trong phân tử.
• Mối quan hệ:
  • Phân tử khối tỉ lệ thuận với tỉ lệ nguyên tố theo số nguyên tử trong công thức hóa học.
  • Tức là, phân tử khối càng lớn thì tỉ lệ nguyên tố theo số nguyên tử trong công thức hóa học càng lớn và ngược lại.
  • Ví dụ:
    • Phân tử nước (H2O) có phân tử khối là 18 đvC và tỉ lệ nguyên tố H : O là 2 : 1.
    • Phân tử cacbon đioxit (CO2) có phân tử khối là 44 đvC và tỉ lệ nguyên tố C : O là 1 : 2.

Cách sử dụng phân tử khối để xác định công thức hóa học của hợp chất

• Dựa vào tỉ lệ nguyên tố:
  • Xác định tỉ lệ số nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất.
  • Lập tỉ lệ số nguyên tử các nguyên tố theo số nhỏ nhất rồi rút gọn về tỉ lệ nguyên tử.
  • Từ tỉ lệ nguyên tử, lập công thức hóa học đơn giản nhất.
  • Xác định phân tử khối của hợp chất.
  • Chia phân tử khối cho công thức hóa học đơn giản nhất để tìm ra số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.
  • Lập công thức hóa học thực tế của hợp chất.
• Dựa vào thành phần phần trăm theo khối lượng:
  • Tính phần trăm khối lượng của từng nguyên tố trong hợp chất.
  • Chuyển đổi thành phần phần trăm theo khối lượng của mỗi nguyên tố thành tỉ lệ số mol.
  • Lập tỉ lệ số mol các nguyên tố theo số nhỏ nhất rồi rút gọn về tỉ lệ nguyên tử.
  • Từ tỉ lệ nguyên tử, lập công thức hóa học đơn giản nhất.
  • Xác định phân tử khối của hợp chất.
  • Chia phân tử khối cho công thức hóa học đơn giản nhất để tìm ra số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.
  • Lập công thức hóa học thực tế của hợp chất.

Ví dụ minh họa mối liên hệ giữa phân tử khối và công thức hóa học

Ví dụ 1: Nước (H2O)

• Thành phần phần trăm theo khối lượng:
  • H: 11,19%
  • O: 88,81%
• Tính tỉ lệ mol của các nguyên tố:
  • H: O = (11,19% / 1,008 g/mol) : (88,81% / 16,00 g/mol) ≈ 2 : 1
• Lập tỉ lệ số nguyên tử H : O = 2 : 1
• Công thức hóa học đơn giản nhất: H2O
• Phân tử khối: 1 x 1,008 + 2 x 16,00 = 18 đvC
• Lập công thức hóa học thực tế: H2O

Ví dụ 2: Canxi oxit (CaO)

• Thành phần phần trăm theo khối lượng:
  • Ca: 71,40%
  • O: 28,60%
• Tính tỉ lệ số mol của các nguyên tố:
  • Ca: O = (71,40% / 40,08 g/mol) : (28,60% / 16,00 g/mol) ≈ 1 : 1
• Lập tỉ lệ số nguyên tử Ca : O = 1 : 1
• Công thức hóa học đơn giản nhất: CaO
• Phân tử khối: 1 x 40,08 + 1 x 16,00 = 56 đvC
• Lập công thức hóa học thực tế: CaO

Ví dụ 3: Glucozo (C6H12O6)

• Thành phần phần trăm theo khối lượng:
  • C: 44,44%
  • H: 6,17%
  • O: 49,39%
• Tính tỉ lệ số mol của các nguyên tố:
  • C: H: O = (44,44% / 12,01 g/mol) : (6,17% / 1,008 g/mol) : (49,39% / 16,00 g/mol) ≈ 1 : 2 : 1
• Lập tỉ lệ số nguyên tử C : H : O = 1 : 2 : 1
• Công thức hóa học đơn giản nhất: CH2O
• Phân tử khối: 1 x 12,01 + 2 x 1,008 + 1 x 16,00 = 30 đvC
• Tuy nhiên, phân tử glucozo có phân tử khối thực tế lớn hơn nhiều so với công thức hóa học đơn giản nhất (180 đvC).
• Do đó, công thức hóa học thực tế của glucozo là (C6H12O6)n, trong đó n là số nguyên dương thể hiện số phân tử CH2O liên kết với nhau.
• Ta có: 180n = 180 => n = 1
• Vậy, công thức hóa học thực tế của glucozo là C6H12O6.

Ứng dụng của phân tử khối trong thực tế

Xác định thành phần phần trăm theo khối lượng của các nguyên tố trong hợp chất

Biết phân tử khối và công thức hóa học của hợp chất, ta có thể tính được thành phần phần trăm theo khối lượng của mỗi nguyên tố trong hợp chất bằng cách:

Tính phần trăm khối lượng của mỗi nguyên tố: Lấy khối lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố nhân với số nguyên tử của nó trong phân tử, sau đó chia cho phân tử khối và nhân với 100%.

Cộng các phần trăm khối lượng của các nguyên tố: Kết quả thu được là thành phần phần trăm theo khối lượng của các nguyên tố trong hợp chất.

Ví dụ: Tính tỷ lệ phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong hợp chất của nước (H2O).

• Phân tử khối của H2O: 18,016 đvC.
• Công thức hóa học của H2O: H2O.
• Thành phần phần trăm theo khối lượng của H:
  • (2 x 1,008 đvC) / 18,016 đvC x 100% ≈ 11,11%
• Tính thành phần phần trăm theo khối lượng của O:
  • (1 x 16,000 đvC) / 18,016 đvC x 100% ≈ 88,89%

Vậy, thành phần phần trăm theo khối lượng của H trong H2O là 11,11%, thành phần phần trăm theo khối lượng của O là 88,89%.

Tính toán số mol chất trong một mẫu hợp chất hoặc dung dịch

Biết phân tử khối của chất và khối lượng của mẫu chất hoặc dung dịch, ta có thể tính số mol chất bằng công thức:
Số mol = Khối lượng / Phân tử khối

Ví dụ: Tính số mol trong 5 gam nước (H2O).

• Phân tử khối của H2O: 18,016 đvC.
• Khối lượng H2O: 5 gam.
• Số mol H2O: 5 gam / 18,016 đvC ≈ 0,277 mol.

Vậy, trong 5 gam nước có 0,277 mol H2O.

Xác định nồng độ mol của dung dịch

Biết phân tử khối của chất tan, khối lượng chất tan và thể tích dung dịch, ta có thể tính nồng độ mol của dung dịch bằng công thức:
Nồng độ mol (M) = Khối lượng chất tan / (Phân tử khối x Thể tích dung dịch (lít))

Ví dụ: Xác định nồng độ mol của dung dịch thu được khi hòa tan 10 gam đường (C6H12O6) vào 500 ml nước.

• Phân tử khối của C6H12O6: 180,16 đvC.
• Khối lượng C6H12O6: 10 gam.
• Thể tích dung dịch: 500 ml = 0,5 lít.
• Nồng độ mol của dung dịch C6H12O6: 10 gam / (180,16 đvC/mol x 0,5 lít) ≈ 0,111 mol/lít.

Vậy, nồng độ mol của dung dịch C6H12O6 là 0,111 mol/lít.

Cân bằng phương trình hóa học

• Phân tử khối giúp ta xác định được tỉ lệ số mol của các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng hóa học. Từ đó, ta có thể lập phương trình hóa học cân bằng, thể hiện đúng tỉ lệ số mol giữa các chất.
• Ví dụ: Phản ứng cháy của metan (CH4):
  • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
  • Biết phân tử khối của CH4 = 16 đvC, O2 = 32 đvC, CO2 = 44 đvC và H2O = 18 đvC.
  • Dựa vào phân tử khối, ta có thể lập phương trình hóa học cân bằng:
    • 1 mol CH4 phản ứng với 2 mol O2 tạo ra 1 mol CO2 và 2 mol H2O.

Ứng dụng của phân tử khối trong các lĩnh vực khác

Sản xuất hóa chất:

• Phân tử khối được sử dụng để tính toán lượng nguyên liệu cần thiết cho các phản ứng hóa học, từ đó giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và tiết kiệm chi phí.
• Ví dụ: Trong sản xuất axit sunfuric (H2SO4), ta cần biết phân tử khối của H2SO4 và các nguyên liệu tham gia (lưu huỳnh, oxy, nước) để xác định lượng nguyên liệu cần thiết cho mỗi mẻ sản xuất.
• Phân tử khối cũng được sử dụng để kiểm soát chất lượng sản phẩm. Bằng cách xác định phân tử khối của sản phẩm, ta có thể biết được sản phẩm có đạt tiêu chuẩn chất lượng hay không.

Y học:

• Phân tử khối được sử dụng để tính toán liều lượng thuốc phù hợp cho bệnh nhân.
• Ví dụ: Khi kê đơn thuốc paracetamol (C8H9N1O2) cho bệnh nhân, bác sĩ cần biết phân tử khối của paracetamol để tính toán liều lượng phù hợp với cân nặng và độ tuổi của bệnh nhân.
• Phân tử khối cũng được sử dụng trong nghiên cứu và phát triển thuốc mới. Bằng cách xác định phân tử khối của các hợp chất có hoạt tính sinh học, các nhà khoa học có thể đánh giá khả năng ứng dụng của các hợp chất này trong điều trị bệnh.

Sinh học:

• Phân tử khối được sử dụng để xác định cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học như protein, axit nucleic, carbohydrate, lipid.
• Ví dụ: Phân tử khối của protein insulin là 5.429 đvC. Bằng cách xác định phân tử khối của insulin, các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của insulin trong cơ thể.
• Phân tử khối cũng được sử dụng trong nghiên cứu di truyền và chẩn đoán bệnh. Bằng cách xác định phân tử khối của các gen và đột biến gen, các nhà khoa học có thể chẩn đoán các bệnh di truyền và phát triển các phương pháp điều trị phù hợp.

Ví dụ minh họa một số ứng dụng cụ thể của phân tử khối

• Xác định thành phần dinh dưỡng trong thực phẩm: Phân tử khối được sử dụng để tính toán lượng protein, carbohydrate, lipid trong thực phẩm, từ đó giúp người tiêu dùng lựa chọn thực phẩm phù hợp với nhu cầu dinh dưỡng của bản thân.
• Kiểm soát chất lượng nước uống: Phân tử khối được sử dụng để xác định nồng độ các ion kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác trong nước uống, từ đó đảm bảo chất lượng nước uống an toàn cho sức khỏe con người.
• Nghiên cứu năng lượng tái tạo: Phân tử khối được sử dụng để tính toán hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong các pin nhiên liệu và các thiết bị năng lượng tái tạo khác.

Phân tử khối không chỉ là một khái niệm trừu tượng trong sách giáo khoa, mà còn là công cụ hữu ích để giải quyết các bài toán hóa học thực tế. Nắm vững kiến thức về phân tử khối sẽ giúp bạn tự tin chinh phục các kỳ thi hóa học và mở ra cánh cửa đến với nhiều ngành học thú vị như hóa học, sinh học, vật liệu,… Hãy cùng bắt đầu hành trình khám phá thế giới vi mô đầy hấp dẫn của phân tử khối!