Относительная атомная масса (Ar) является одной из фундаментальных характеристик атома. Она показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше одной двенадцатой массы атома углерода изотопа 12C. В качестве эталона выбран именно углерод-12, поскольку этот изотоп стабилен и обладает удобными метрологическими свойствами.
Формально относительная атомная масса определяется как:
$$ A_r = \frac{m_\text{атом}}{1/12 \, m(^{12}C)} $$
Поскольку относительные атомные массы рассчитываются по отношению к эталону, они являются безразмерными величинами. Значения Ar приведены в Периодической системе элементов.
В реальности элемент часто представлен смесью изотопов, поэтому табличные данные отражают средневзвешенное значение масс атомов с учётом их распространённости в природе. Например, для хлора, имеющего два основных изотопа (35Cl и 37Cl), относительная атомная масса равна 35,5, что соответствует усреднённому значению с учётом процентного содержания изотопов.
Относительная молекулярная масса (Mr) характеризует вещество на уровне молекулы. Она определяется как сумма относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы:
Mr = ∑Ar(элемента) × n
где n — количество атомов данного элемента в молекуле.
Пример: для воды H2O
Mr = 2 × Ar(H) + 1 × Ar(O) = 2 × 1 + 16 = 18
Если вещество имеет сложное строение или является полимером, то Mr может быть очень большим. В таких случаях используют средние молекулярные массы — средневзвешенные значения, отражающие распределение по цепочкам различной длины.
Абсолютная масса атома или молекулы выражается в килограммах или граммах, однако из-за чрезвычайно малых значений такие данные неудобны в практических расчётах. Поэтому используется система относительных величин.
Абсолютная масса атома определяется по формуле:
mатом = Ar × 1/12 m(12C)
Абсолютная масса молекулы:
mмолекулы = Mr × 1/12 m(12C)
Для удобства в химии применяется единица атомной массы (а.е.м. или u):
$$ 1 \, \text{а.е.м.} = \frac{1}{12} m(^{12}C) \approx 1,66 \times 10^{-27} \, \text{кг} $$
Таким образом, масса атома или молекулы может быть найдена как произведение их относительной массы на 1 а.е.м.
Относительные атомные и молекулярные массы служат основой для расчётов в химии. На их основе определяются:
Молярная масса численно равна относительной молекулярной массе, но выражается в единицах г/моль. Например, Mr(H2O) = 18, следовательно, молярная масса воды M = 18 г/моль.
Некоторые вещества не образуют отдельных молекул в обычном понимании. Металлы, ионные кристаллы и твёрдые неорганические соединения описываются через относительную формульную массу, которая рассчитывается как сумма Ar элементов в соответствии с их соотношением в формульной единице.
Пример: для NaCl
Mr = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35, 5 = 58, 5
Использование относительных величин позволяет обойти трудности с малыми абсолютными массами атомов и молекул, облегчает построение химических уравнений и расчёт количественных соотношений реагентов и продуктов реакции.
Относительная атомная и молекулярная массы являются фундаментальными понятиями общей химии, без которых невозможно описание законов сохранения массы, законов стехиометрии, а также молекулярно-кинетической теории.