มวลอะตอม

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

มวลอะตอมของธาตุเท่ากับมวลของธาตุ 1 อะตอมเปรียบเทียบกับมวลของไฮโดรเจน 1 อะตอม

ดังสมการข้างล่าง

จากนั้นได้มีการเปลี่ยนเป็นเปรียบเทียบกับธาตุออกซิเจน เพราะธาตุออกซิเจนทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นได้ง่าย

แต่เนื่องจากออกซิเจนมีมวลเป็น 16 เท่าของไฮโดรเจนจึงได้นิยามเป็น

แต่เนื่องจากธาตุออกซิเจนมีหลายไอโซโทป คือ ¹⁶O, ¹⁷O และ ¹⁸O

ซึ่ง นักเคมีและนักฟิสิกส์ กำหนดมวลอะตอมของธาตุออกซิเจนไม่เหมือนกัน โดยนักเคมีใช้มวลอะตอมเฉลี่ยของทั้ง 3 ไอโซโทป แต่นักฟิสิกส์ใช้เฉพาะมวลของ ¹⁶O

จึงได้มีการตกลงกันใหม่โดยให้ใช้เป็น

1/12 มวลของ ¹²C แทน

ดังนั้นนิยามในปัจจุบันคือ

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

---

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

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

เราสามารถหา มวลต่อโมล (molar mass) ของ ¹²C ได้โดย

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