มวลอะตอม

เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมาก มวลของอะตอมก็น้อยมากเช่นกัน การที่จะวัดมวลอะตอมจึงทำได้ยาก ดังนั้นจึงได้มีการนิยามมวลอะตอม (atomic mass) เป็นมวลอะตอมสัมพัทธ์ (relative atomic mass) เปรียบเทียบกับธาตุที่กำหนด โดยเริ่มแรกนั้น ดอลตัน (John Dalton) ได้กำหนดให้

มวลอะตอมของธาตุเท่ากับมวลของธาตุ 1 อะตอมเปรียบเทียบกับมวลของไฮโดรเจน 1 อะตอม

ดังสมการข้างล่าง

มวลอะตอมของธาต ุ space equals space fraction numerator มวลของธาต ุ space 1 space อะตอม over denominator มวลของไฮโดรเจน space 1 space อะตอม end fraction

จากนั้นได้มีการเปลี่ยนเป็นเปรียบเทียบกับธาตุออกซิเจน เพราะธาตุออกซิเจนทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นได้ง่าย

แต่เนื่องจากออกซิเจนมีมวลเป็น 16 เท่าของไฮโดรเจนจึงได้นิยามเป็น

มวลอะตอมของธาต ุ space space equals space มวลของธาต ุ space 1 space อะตอม space forward slash space 1 over 16 space มวลของออซ ิ เจน space 1 space อะตอม

แต่เนื่องจากธาตุออกซิเจนมีหลายไอโซโทป คือ ¹⁶O, ¹⁷O และ ¹⁸O

ซึ่ง นักเคมีและนักฟิสิกส์ กำหนดมวลอะตอมของธาตุออกซิเจนไม่เหมือนกัน โดยนักเคมีใช้มวลอะตอมเฉลี่ยของทั้ง 3 ไอโซโทป แต่นักฟิสิกส์ใช้เฉพาะมวลของ ¹⁶O

จึงได้มีการตกลงกันใหม่โดยให้ใช้เป็น

1/12 มวลของ ¹²C แทน

ดังนั้นนิยามในปัจจุบันคือ

Error converting from MathML to accessible text

ซึ่งมวลของ 1/12 มวลของ ¹²C นั้นเท่ากับ 1.66 x 10^-24 กรัม ดังนั้น

มวลอะตอมของธาตุ = มวลของธาตุ 1 อะตอม (g) / 1.66 x 10^-24 g

มวลอะตอมของธาตุนั้นจะไม่มีหน่วยเพราะเป็นมวลสัมพัทธ์ แต่มวลของธาตุ 1 อะตอมจะมีหน่วยกำกับ

ธาตุในธรรมชาติส่วนใหญ่จะมีหลายไอโซโทป แต่ละไอโซโทปมีมวลอะตอมและปริมาณที่พบในธรรมชาติแตกต่างกัน

ดังนั้น มวลอะตอมของธาตุจึงคิดจากมวลอะตอมของไอโซโทปและปริมาณของไอโซโทปนั้น ๆ ในธรรมชาติ

เช่น

คาร์บอนมี 3 ไอโซโทป คือ ¹²C, ¹³C และ ¹⁴C โดยที่ ¹²C มีมวลอะตอม 12.0000 และพบเป็น 98.930% ในธรรมชาติ ¹³C มีมวลอะตอมเป็น 13.0034 และพบเป็น 1.070% ในธรรมชาติ ส่วน ¹⁴C เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีและพบน้อยมาก

ดังนั้น มวลอะตอมของคาร์บอนจึงคำนวณจาก ¹²C และ ¹³C ดังนี้

มวลอะตอมของ space C space equals space fraction numerator 98.930 cross times 12.000 over denominator 100 end fraction space plus space fraction numerator 1.070 space cross times space 13.0034 over denominator 100 end fraction space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space equals space 11.872 space plus space 0.1391 space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space equals space 12.011

โมล

เนื่องจากสารต่าง ๆ ประกอบด้วย อนุภาคของสารที่มีขนาดเล็กเป็นจำนวนมาก นักเคมีจึงได้กำหนดหน่วยสำหรับปริมาณสารว่า โมล (mole) โดยกำหนดว่า

สาร 1 โมล มีจำนวนอนุภาคเท่ากับ 6.02214076 x 10²³ อนุภาค

และเรียกจำนวนอนุภาคนี้ว่า

เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number) หรือ ค่าคงตัวอาโวกาโดร (Avogadro’s constant)

ตัวอย่างของสารปริมาณ 1 โมล

สาร	จำนวนอนุภาค
อาร์กอน (Ar)	6.02 x 10²³ อะตอม
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂)	CO₂ = 6.02 x 10²³ โมเลกุล C = 6.02 x 10²³ อะตอม O = 2 x 6.02 x 10²³ = 1.204 x 10²⁴ อะตอม
โซเดียมคาร์บอเนต (Na₂CO₃)	Na⁺ = 2 x 6.02 x 10²³ = 1.204 x 10²⁴ ไอออน CO₃^2- = 6.02 x 10²³ ไอออน

เนื่องจากมวลของ ¹²C 1 อะตอม เท่ากับ 12 x 1.66 x 10^-24 กรัม

เราสามารถหา มวลต่อโมล (molar mass) ของ ¹²C ได้โดย

มวล space C presuperscript 12 space 1 space โมล space equals space fraction numerator 12.00 space cross times space 1.66 space cross times space 10 to the power of negative sign 24 space end exponent g space C presuperscript 12 over denominator 1 space atom space C presuperscript 12 end fraction space cross times space 6.02 space cross times space 10 to the power of 23 space atom space C presuperscript 12

จะเห็นได้ว่ามวลของธาตุ 1 โมลในหน่วยกรัม (หรือมวลต่อโมล) มีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับมวลอะตอมของธาตุนั้น

เช่น

ไนโตรเจนมีมวลอะตอมเท่ากับ 14.01 ดังนั้น ไนโตรเจร 1 โมล จะมีมวล 14.01 กรัม หรือมวลต่อโมลของไนโตรเจนเป็น 14.01 กรัมต่อโมล

เมื่อมีอะตอมของธาตุมารวมกันเป็นโมเลกุล ผลรวมของมวลอะตอมของธาตุในสูตรเคมีนั้น ๆ เรียกว่า มวลโมเลกุล (molecular mass)

เช่น

มวลโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์เท่ากับมวลอะตอมของคาร์บอน 1 อะตอม รวมกับมวลอะตอมของออกซิเจน 2 อะตอม หรือ (1 x 12.01) + (2 x 16.00) = 44.01

ในทำนองเดียวกับอะตอม มวลต่อโมลของสารที่เป็นโมเลกุลก็เท่ากับมวลโมเลกุลของสารนั้น

ดังนั้น มวลต่อโมลของคาร์บอนไดออกไซด์จึงเท่ากับ 44.01 กรัมต่อโมล

ส่วนสารที่ไม่อยู่ในรูปโมเลกุล

เช่น

สารประกอบไอออนิกหรือโลหะ

ผลรวมของมวลอะตอมของธาตุในสูตรเคมี เรียกว่า มวลสูตร (formula mass)

เช่น

มวลสูตรของ แมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) เท่ากับมวลอะตอมของแมกนีเซียมรวมกับมวลอะตอมของออกซิเจน คือ 24.31 + 16.00 = 40.31

และมวลต่อโมลของสารมีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับมวลสูตรของสารนั้น

ดังนั้น มวลต่อโมลของแมกนีเซียมออกไซด์เท่ากับ 40.31 กรัมต่อโมล

นอกจากนี้ยังมีความสัมพันธ์ระหว่างโมล มวลและปริมาตรของแก๊สซึ่งเราควรจะจำให้ได้ โดยที่

อุณหภูมิและความดันที่ภาวะมาตรฐานของแก๊ส (standard temperature and pressure หรือ STP) แก๊ส 1 โมลจะมีปริมาตรเป็น 22.4 ลิตร (ลูกบาศก์เดซิเมตร)

ความสัมพันธ์เหล่านี้สามารถทำเป็นแผนภาพได้ดังนี้

มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลสูตร โมล และปริมาตรของแก๊สที่ STP

แบบฝึกหัด