Trọng lượng phân tử là gì? Công thức tính, đơn vị và phân tích

Trọng lượng phân tử (còn gọi là khối lượng phân tử tương đối) là một đại lượng vật lý vô thứ nguyên biểu thị tỷ số giữa khối lượng thực của một phân tử cụ thể so với $1/12$ khối lượng của một nguyên tử đồng vị Carbon-12 ($^{12}\text{C}$) ở trạng thái nghỉ.

Phân biệt các khái niệm thuật ngữ hóa học

Trong thực hành khoa học và giảng dạy hóa học, ba khái niệm liên quan chặt chẽ thường xuyên được sử dụng:

• Khối lượng phân tử tương đối (Relative Molecular Mass, ký hiệu $M_r$): Thường gọi là trọng lượng phân tử (molecular weight). Đây là một tỷ số thuần túy không có đơn vị đo.
• Khối lượng phân tử tuyệt đối (Molecular Mass, ký hiệu $m$): Khối lượng thực của một phân tử đơn lẻ, được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất (u hay Dalton, Da), trong đó $1 \text{ Da} \approx 1.6605 \times 10^{-27} \text{ kg}$.
• Khối lượng mol (Molar Mass, ký hiệu $M$): Khối lượng của một mol (gồm $6.022 \times 10^{23}$ phân tử) hợp chất, có đơn vị chuẩn là $\text{g/mol}$ hoặc $\text{kg/mol}$. Về mặt số học, giá trị khối lượng mol tính bằng g/mol bằng đúng khối lượng phân tử tương đối.

Công thức tính toán cho hợp chất đơn phân tử

Đối với các hợp chất có công thức hóa học xác định, trọng lượng phân tử được tính bằng tổng nguyên tử khối của toàn bộ các nguyên tử tạo nên phân tử đó:

Trong đó $n_i$ là số lượng nguyên tử của nguyên tố thứ $i$ trong công thức phân tử và $A_i$ là khối lượng nguyên tử tương ứng của nguyên tố đó.

Ví dụ, đối với phân tử khí carbonic ($\text{CO}_2$):

Khối lượng phân tử trung bình trong hóa học Polymer

Khác với các phân tử nhỏ có khối lượng đồng nhất tuyệt đối, các hợp chất polymer nhân tạo và sinh học tổng hợp gồm tập hợp các chuỗi mạch có độ dài khác nhau (hệ đa phân tán). Do đó, khối lượng phân tử của polymer được đặc trưng bởi các giá trị trung bình thống kê:

1. Khối lượng phân tử trung bình số (M_n)

Được xác định dựa trên tổng khối lượng của toàn bộ mẫu chia cho tổng số lượng phân tử trong mẫu. Đại lượng này rất nhạy với các phân tử khối lượng nhỏ và thường được đo bằng phương pháp áp suất thẩm thấu hoặc chuẩn độ nhóm thế đầu mạch.

2. Khối lượng phân tử trung bình khối (M_w)

Được tính dựa trên phần khối lượng của từng phân đoạn mạch. Phân tử chuỗi dài có khối lượng lớn đóng góp tỷ trọng cao hơn vào giá trị $M_w$. Đại lượng này thường được xác định thông qua phương pháp tán xạ ánh sáng tĩnh.

3. Chỉ số đa phân tán (Polydispersity Index - PDI)

Mức độ đồng đều về độ dài chuỗi phân tử polymer được biểu diễn thông qua chỉ số:

Một mẫu polymer đơn phân tán lý tưởng có $Đ = 1$. Giá trị $Đ$ càng lớn thể hiện sự phân tán chiều dài mạch polymer càng rộng.

Phương pháp phân tích	Đại lượng đo lường	Phạm vi áp dụng tiêu biểu
Phổ khối lượng (MS/MALDI-TOF)	Tỷ số khối lượng/điện tích (m/z)	Đo chính xác tuyệt đối phân tử nhỏ, peptide và protein
Sắc ký rây phân tử (GPC/SEC)	Phân bố khối lượng phân tử ($M_n, M_w$)	Xác định phân bố chiều dài chuỗi polymer và polysaccharide
Tán xạ ánh sáng laser tĩnh (SLS)	Khối lượng trung bình khối ($M_w$)	Dung dịch đại phân tử sinh học và hạt nano
Đo độ nhớt dung dịch	Khối lượng trung bình độ nhớt ($M_v$)	Kiểm tra chất lượng nhanh polymer trong công nghiệp

Ý nghĩa thực tiễn trong sinh học và công nghiệp

Trọng lượng phân tử quyết định trực tiếp các tính chất cơ lý và hóa học của vật liệu:

• Dược lý học: Khối lượng phân tử của hoạt chất thuốc ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp thu qua màng ruột và phân bố qua hàng rào máu não (theo quy tắc Lipinski, phân tử thuốc đường uống thường có khối lượng dưới 500 Da).
• Khoa học vật liệu: Khi trọng lượng phân tử polymer tăng lên, độ bền kéo, độ bền va đập và nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của nhựa tăng lên rõ rệt nhờ sự gia tăng mức độ liên kết vướng víu giữa các chuỗi polymer.