Каждый атом обладает определенной массой, значение которой чрезвычайно мало (от 1·10-24 до 1·10-22 г.). Пользоваться такими значениями в химических расчетах очень неудобно, поэтому на практике вместо абсолютных масс атомов используются относительные атомные массы (называть эту величину просто, атомная масса – не верно) и обозначаются символом Ar. Относительные атомные массы являются некоторым соотношением между абсолютными массами различных атомов.
Относительная атомная масса элемента – это число, показывающее, во сколько раз масса одного атома данного элемента больше 1/12 части массы атома изотопа углерода-12 (12С).
Например, округленные значения относительной атомной массы кислорода и фтора составляют 16,00 и 19,00. Отсюда следует, что значения абсолютной атомной массы для одного атома кислорода больше в 16 раз, а значение той же величины для одного атома фтора больше в 19 раз, чем значение 1/12 части абсолютной атомной массы атома 12С, а массы атомов O и F относятся между собой как 16 : 19.
Относительные атомные массы элементов указаны в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. В электронной таблице представленной ниже, вы можете получить данные об относительной атомной массе всех элементов Периодической системы.
Для большинства элементов в Периодической системе указаны среднеарифметические значения относительных атомных масс для природной смеси изотопов этих элементов (изотопно-смешанные элементы). Углерод также встречается в природе в виде двух изотопов 12С (98,90%) и 13С (1,10%); этой природной смеси отвечает значение относительной атомной массы 12,0000·0,9890 + 13,0034·0,0110 = 12,011 а.е.м. Природный фтор состоит только из одного изотопа – изотопно чистый элемент, его относительная атомная масса определена достаточно точно 18.9984032 а.е.м.
Ранее за точку отсчета относительных атомных масс принимался кислород (масса 1/16 части атома кислорода называлась кислородной единицей), причем в физике использовался чистый изотоп 16O (относительная атомная масса 16,0000 а.е.м.), а в химии – природная смесь изотопов с тем же значением относительной атомной массы. Таким образом, в старой физической литературе относительные массы элементов соответствовали физической шкале с кислородной единицей, масса которой равна 1,65976·10-24 г, а в старой химической литературе – химической шкале с кислородной единицей, масса которой 1,66022·10-24 г. С целью унификации в 1959-1961 г. Международные союзы теоретической и прикладной физики и теориетической и прикладной химии утвердили новую шкалу, основанную на относительной атомной массе 12С для которого значение относительной атомной массы установлено равным 12,0000 (точно). По современной шкале атомной единицей массы (а.е.м.) является унифицированная углеродная единица, равная 1,660538782(83)·10-27 кг (по данным 2006 г). Значения относительных атомных масс элементов определяют как частное от деления значения абсолютной атомной массы атома данного элемента к 1/12 части абсолютной массы атома изотопа 12С.
Пример. Масса атома фтора 3,15481·10-23 г, следовательно, относительная атомная масса фтора Ar(F) = 3,15481·10-23 г / 1,660538782(83)·10-24 г = 18,9984 а.е.м.
Атомная единица массы – фундаментальная физико-химическая постоянная, значение которой будет уточняться по мере развития техники измерения. Официально рекомендованными являются англоязычные термины atomic mass unit (a.m.u.) или unified atomic mass unit (u.a.m.u.).
Международный союз теоретической и прикладной химии – ИЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) – IUPAC, каждые два года публикует сводку уточненных значений Ar для всех химических элементов. В последние десятиления появились две тенденции: для изотопно-чистых элементов значения Ar определяются все более точно за счет повышения чувствительности измерительных приборов, а для изотопно-смешанных элементов точность определения Ar снижается из-за различия изотопного состава в пробах разного происхождения. Комиссия ИЮПАК по химическому образованию рекомендует использовать для учебных целей значения Ar, содержащие не менее четырех значащих цифр.
Значения относительной атомной массы известны и для каждого изотопа любого элемента (т.е. для каждого нуклида). Значения Ar для изотопа водорода 1H (протий) и 2H (дейтерий) равны 1,0078 и 2,0141, для изотопов 16O, 17O и 18O – соответственно 15,9949; 16,9991 и 17,9992; для изотопа 27Al = 26,9815. Целое число, которое указано в левом верхнем индексе у символа элемента (12С), есть фактически округленное значение его относительной атомной массы. Оно называется массовым числом изотопа и равно сумме нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома этого изотопа.
Из вышесказанного следует, что масса (точнее масса покоя) одного нуклона в атомных единицах массы равна примерно единице; точные значения: mp = 1.007276 а.е.м. для протона, и mn = 1.008665 а.е.м. для нейтрона. Отсюда ясен выбор шкалы для относительных масс элементов; простейший атом водорода (один протон в ядре) должен иметь единичное значение Ar, приблизительно равное массе протона (точное значение 1,00794 а.е.м.).
Коэффициентом пропорциональности между единицей массы – граммом и единицей относительной атомной массы является число Авогадро равно NA = 6.02214082(11)·1023 моль-1.