Câu hỏi: Tính nguyên tử khối trung bình của sulfur dựa trên thành phần các đồng vị cho trong bảng s. Câu 26. Đơn chất lưu huỳnh có hai dạng thù hình phổ biến là lưu huỳnh tà phương và lưu huỳnh đơn tà, khác nhau ở sự sắp xếp các phân tử S₈ trong tinh thể. Một số tính chất vật lí của chúng được cho trong bảng sau:
Đáp án đúng là 32,06. Nguyên tử khối trung bình của sulfur bằng 32,06 u, đúng bằng số liệu nguyên tử khối trong bảng tuần hoàn.
Bài gồm hai phần độc lập: một bài tính nguyên tử khối trung bình của lưu huỳnh từ dữ liệu các đồng vị, và một bài tập mở (Câu 26) về hai dạng thù hình của lưu huỳnh kèm bảng số liệu và câu hỏi trắc nghiệm.
Nguyên tử khối trung bình được tính như thế nào?
Nguyên tử khối trung bình của một nguyên tố có nhiều đồng vị là giá trị trung bình có trọng số của các nguyên tử khối đồng vị, tính theo tỉ lệ phần trăm phong phú tự nhiên của chúng trong tự nhiên. Công thức dùng trong chương trình phổ thông: nguyên tử khối trung bình = tổng của (nguyên tử khối đồng vị × phong phú % của đồng vị đó) chia 100.
Với lưu huỳnh, đồng vị chính là S-32 (nguyên tử khối 32 u, phong phú khoảng 95%), S-33 (33 u, khoảng 0,75%), S-34 (34 u, khoảng 4,25%) và S-36 (36 u, lượng rất nhỏ). Khi tính đủ bốn đồng vị, kết quả đạt khoảng 32,06 u. Số 32,06 u chính là giá trị nguyên tử khối của lưu huỳnh được ghi trong bảng tuần hoàn hóa học.
Vì sao kết quả là 32,06 chứ không phải 32?
Phần lớn lưu huỳnh là S-32 nên kết quả rất gần 32, nhưng không thể coi đúng bằng 32 vì hai đồng vị nặng hơn chiếm tổng khoảng 5% phong phú. Nếu chỉ tính theo S-32, ta得到 32 u — đó là nguyên tử khối của một đồng vị cụ thể, không phải nguyên tử khối trung bình. Sai lầm này rất hay gặp trong bài tập, vì học sinh thường vội quy tròn kết quả.
Độ chính xác của kết quả còn phụ thuộc bảng phong phú đồng vị nào được dùng. Các nguồn khác nhau có thể cho kết quả chênh nhau ở chữ số thập phân thứ hai (32,05 hay 32,06), điều này hoàn toàn bình thường và tùy theo dữ liệu đồng vị mà đề bài cung cấp.
Hai dạng thù hình của lưu huỳnh
Lưu huỳnh tồn tại ở dạng phân tử S₈ (vòng tám nguyên tử lưu huỳnh). Trong tinh thể, các vòng S₈ được sắp xếp theo cách khác nhau nên tạo ra hai dạng thù hình: lưu huỳnh tà phương và lưu huỳnh đơn tà. Dạng bền ở nhiệt độ thường là lưu huỳnh đơn tà, vì chúng sắp xếp các phân tử S₈ chặt khít hơn, giảm khoảng trống trong tinh thể.
Ở nhiệt độ khoảng 96 °C, lưu huỳnh đơn tà chuyển thành dạng tà phương, một ví dụ quen thuộc về hiện tượng biến dạng thù hình trong hóa học vô cơ.
Tinh thể lưu huỳnh dễ nóng chảy vì liên kết giữa phân tử
Trong tinh thể lưu huỳnh, các phân tử S₈ được giữ lại với nhau bằng lực liên kết phân tử (lực Van der Waals), vốn rất yếu so với liên kết cộng hóa trị bên trong từng phân tử S₈. Khi đun nóng, chỉ cần cung cấp một năng lượng nhỏ là đủ phá vỡ các lực này, khiến tinh thể tan chảy ở nhiệt độ tương đối thấp. Đây là tính chất điển hình của chất phân tử.
Lưu huỳnh trong dung dịch carbon disulfur
Ở nhiệt độ 22 °C, dung dịch bão hòa của lưu huỳnh trong carbon disulfur có nổi độ 24,16%. Trong môi trường này, lưu huỳnh tồn tại ở dạng phân tử S₈ (và các vòng S₈ khác kích thước), không phải dạng ion hay dạng nguyên tử riêng lẻ — vì lưu huỳnh là phi kim, không bị dung môi ion hóa.
Độ tan (khối lượng lưu huỳnh trên 100 g dung môi) được tính từ nổi độ: độ tan ≈ 24,16/(100−24,16) × 100 ≈ 31,86 g lưu huỳnh trong 100 g carbon disulfur. Số mol liên kết S–S cần cắt trong 1 mol S₈ là 8 mol liên kết; năng lượng cần để phá vỡ chúng tương đương nhiệt dung môi hóa của lưu huỳnh.
Hệ thống kiến thức cần nhớ
Bài tập nguyên tử khối trung bình thường đi kèm dữ liệu bảng thành phần đồng vị. Cách xử lý:
- Nhận diện từng đồng vị, ghi rõ nguyên tử khối và tỉ lệ phong phú.
- Nhân từng đồng vị với phong phú phần trăm, cộng tất cả lại, chia 100.
- So sánh kết quả với bảng tuần hoàn để kiểm tra.
Với lưu huỳnh, nhớ ba điểm: nguyên tử khối 32,06 u; dạng bền ở nhiệt độ thường là lưu huỳnh đơn tà; tinh thể lưu huỳnh dễ nóng chảy do liên kết phân tử yếu.
Mẹo ghi nhớ
Khi thấy câu hỏi “tính nguyên tử khối trung bình”, luôn nghĩ đến trung bình có trọng số — không phải trung bình cộng đơn giản. Nếu tỉ lệ đồng vị cho ở phần trăm thì chia kết quả cho 100; nếu ở dạng phân số thì không cần chia. Số nguyên tử khối của các nguyên tố có trong bảng tuần hoàn có thể dùng làm phép kiểm tra nhanh: kết quả phải nằm rất gần giá trị đó.
