2.1: 同位体と原子量
原子量
個々の原子の質量はとてもとても小さいです。 しかし、質量分析計という最新の装置を使えば、そのような極小の質量を測定することが可能です。 例えば、酸素16の原子の質量は、ⒶⒶ×10^{-23}Ⓓです。 グラム単位での比較も有用ですが、相対的な原子量をもっと簡単に比較できる仕組みがあったほうがはるかに実用的です。 そこで科学者たちは、炭素12という核種を基準として、他のすべての質量を比較することにした。 定義によると、炭素12の1つの原子の質量はちょうど12原子質量単位である(㊦㊦㊦)。 原子質量単位は炭素12の原子の12分の1に等しい質量と定義される。 元素の同位体の質量は、炭素12を基準として表される。 例えば、ヘリウム4の1原子の質量は、Ⅻ(4.0026Ⅻ:Ⅻ)である。
炭素12の原子は原子核に陽子6個、中性子6個があり、質量数は12である。 原子核が質量のほぼすべてを占めているので、陽子1個、中性子1個の質量はおよそ♪1♪です。 しかし、ヘリウムや硫黄の例からわかるように、個々の原子の質量は完全な整数ではありません。 これは、原子の質量が原子核内のさまざまな粒子の相互作用によってごくわずかに影響を受け、さらに各電子が加えるわずかな質量も含まれるためです。
同位体の項で述べたように、ほとんどの元素は2つ以上の同位体の混合物として自然に発生します。
| Element | Isotope (Symbol) | Percent Natural Abundance | Atomic mass \(\left( \text{amu} \right)\) | Average atomic mass \(\left( \text{amu} \right)\) |
|---|---|---|---|---|
| Hydrogen | \(\ce{^1_1H}\) | 99.985 | 1.0078 | 1.0079 |
| \(\ce{^2_1H}\) | 0.015 | 2.0141 | ||
| \(\ce{^3_1H}\) | negligible | 3.0160 | ||
| Carbon | \(\ce{^{12}_6C}\) | 98.89 | 12.000 | 12.011 |
| \(\ce{^{13}_6C}\) | 1.11 | 13.003 | ||
| \(\ce{^{14}_6C}\) | trace | 14.003 | ||
| Oxygen | \(\ce{^{16}_8O}\) | 99.759 | 15.995 | 15.999 |
| \(\ce{^{17}_8O}\) | 0.037 | 16.995 | ||
| \(\ce{^{18}_8O}\) | 0.204 | 17.999 | ||
| Chlorine | \(\ce{^{35}_{17}Cl}\) | 75.77 | 34.969 | 35.453 |
| \(\ce{^{37}_{17}Cl}\) | 24.23 | 36.966 | ||
| Copper | \(\ce{^{63}_{29}Cu}\) | 69.17 | 62.930 | 63.546 |
| \(\ce{^{65}_{29}Cu}\) | 30.83 | 64.928 |
For some elements, one particular isotope is much more abundant than any other isotopes. For example, naturally occurring hydrogen is nearly all hydrogen-1, and naturally occurring oxygen is nearly all oxygen-16. しかし、他の多くの元素では、2つ以上の同位体がかなりの量存在することがある。 塩素（原子番号17）は、黄緑色の有毒ガスです。 塩素原子の約4分の3は18個の中性子を持ち、これらの原子の質量数は35である。 全塩素原子の約4分の1は20個の中性子を持ち、その質量数は37である。
正確な原子量の算術平均を単純に計算すると、約 36 になります。
ご覧のように、上の表の最後の列で与えられた平均原子量はかなり低くなっています。 なぜでしょうか。 それは、加重平均と呼ばれるものを計算するために、各同位体の自然存在比を考慮する必要があるからです。 ある元素の原子質量は、その元素の自然界に存在する同位体の原子質量の加重平均である。
平均原子質量は、周期表で見られる値です。
加重平均は、天然存在比に同位体の実際の質量を掛けることによって決定されます。 これを各同位体の項ができるまで繰り返す。 塩素の場合、天然に存在する同位体は 2 つだけなので、項は 2 つだけです
。