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原子量と原子質量の決定的な違いは、原子量はすべての同位体とその相対的な存在量に対する元素の平均重量であるのに対し、原子質量は個々の原子の質量であることである。
多くの人は、原子質量と原子量を同じ意味で使っている。しかし、両者は意味が異なり、2つの用語を1つとして扱うと、バルク材の計算で大きな誤差が生じることがある。
1. 概要と主な違い 2. 原子量とは 3. 原子質量とは 4. 横並び比較-原子量と原子質量を表で示す 5. まとめ
原子量とは、ある元素のすべての同位体とその相対的な存在量に対する平均的な重量のことである。化学元素には同位体が存在することが多く、同位体とは同じ化学元素の異なる形態のことです。同位体は原子核に含まれる陽子の数が同じ(つまり同じ化学元素の一部)であり、中性子の数が異なる。自然界にはさまざまな同位体がさまざまな割合で存在する。化学元素の原子量を求める場合、すべての同位体の原子量とその割合を考える必要がある。そこから、各同位体の原子質量を使って平均質量を計算し、原子量を求めることができる。周期表に見られる原子量は、この現象から算出されている。
以下の2つのステップで計算を行うことができます。
動画1:原子量の計算
例えば、C-12同位体を98%、C-13同位体を2%持っているとします。これらの同位体の原子量から、炭素の原子量を計算してみよう。
結局、炭素という化学元素の原子量は12.02amu(原子質量単位)と求まりました。さらに、同位体の実際の原子量の平均値であることから、「相対原子量」と名づけることができる。
原子は主に陽子、中性子、電子から構成されています。原子質量は、原子の質量である。つまり、1つの原子に含まれるすべての中性子、陽子、電子の質量の集合体で、特に原子が運動していないときの質量(静止質量)である。物理の基本原理からすると、原子が超高速で動いていると質量が増えるので、残留質量だけを取り出しています。しかし、電子の質量は、陽子や中性子の質量に比べると、かなり小さい。したがって、電子は原子の質量にあまり寄与していないと言える。したがって、原子質量を計算する際には、電子の質量を無視することができるのです。最も重要なことは、同じ化学元素に属していても、同位体の違いによって中性子の数が異なるため、原子質量が異なるということである。
図01:原子の陽子、中性子、電子の質量から、原子質量を計算することができる
さらに、原子の質量は非常に小さいので、グラムやキログラムといった通常の質量単位で表すことができない。私たちの目的には、原子質量の測定に原子質量単位(amu)という別の単位を使用します。ここでも、1原子質量単位はC-12同位体の質量の12分の1である。原子の質量を炭素12という同位体の12分の1の質量から割ると、その相対質量が求められる。しかし、一般に元素の相対原子量といえば、その原子量を意味する(計算上、すべての同位体を考慮するため)。
ほとんどの場合、原子量と原子質量という言葉を同じように使っている。しかし、この2つの言葉の違いは、その定義に大きく左右されます。したがって、定義上、原子量と原子質量の重要な違いは、原子量はすべての同位体とその相対的存在量に対する元素の平均重量であり、原子質量は個々の原子の質量であることだ。
また、原子量と原子質量のもう一つの重要な違いは、それぞれの値の算出方法を考えることで判断できます。原子量は、自然界に存在する化学元素の全同位体の存在率で算出すべきですが、原子質量は、原子の中性子と電子の質量に、陽子の質量を単純に足せばいいのです。
原子量と原子質量は、化学計算でよく使う重要な用語である。原子量と原子質量の決定的な違いは、原子量はすべての同位体とその相対的な存在量に対する元素の平均重量であり、原子質量は個々の原子の質量であることである。
1Wichis, Edward and H. Steffen Peyser."Atomic weight", Encyclopedia Britannica, Encyclopedia Britannica, 15 Dec. 2017.2はこちらで入手可能です。 helmenstine, Dr Anne Marie, "How to calculate atomic mass", ThoughtCo, 1 April 2018.こちらから入手可能です 2Helmenstine, Dr Anne Marie, "How to calculate atomic masses", ThoughtCo, 1 April 2018