相对原子质量

英国约翰·道尔顿提出的概念

相对原子质量

相对原子质量（英文名称：Relative atomic mass）即原子量（英文名称：atomic weight）。[0]元素的相对原子质量是指1摩尔某种元素的质量与1摩尔12C核素质量的1/12的比值。自1803年被道尔顿首次提出，是一个无量纲的相对值。[1][3][4]一个原子由质子、中子和电子构成，质量很小，故引出相对原子质量这一概念。单核素的相对原子质量等于该元素的核素的相对原子质量；多核素元素的相对原子质量等于该元素的天然同位素相对原子质量的加权平均值。[4]元素相对原子质量测定的基准由最开始的以1H到16O，再到一直到现在也公认12C。其测量方法有化学测量法和物理测量法，物理测量法又包括相对质谱法和绝对质谱法。[1][3][5]

相对原子质量（英文名称：Relative atomic mass）即原子量（英文名称：atomic weight）。[1]元素的相对原子质量是指1摩尔某种元素的质量与1摩尔12C核素质量的1/12的比值。自1803年被道尔顿首次提出，是一个无量纲的相对值。[2][4][5]

一个原子由质子、中子和电子构成，质量很小，故引出相对原子质量这一概念。单核素的相对原子质量等于该元素的核素的相对原子质量；多核素元素的相对原子质量等于该元素的天然同位素相对原子质量的加权平均值。[5]元素相对原子质量测定的基准由最开始的以1H到16O，再到一直到现在也公认12C。其测量方法有化学测量法和物理测量法，物理测量法又包括相对质谱法和绝对质谱法。[2][4][6]

基本定义

国际原子量与同位素丰度委员会给原子量下的最新定义（1979年）是：一种指定来源元素的原子量是组成的各原子的平均质量（加权）与核素12C原子质量的1/12的比值。相对原子质量用符号Ar(E)表示，A代表原子质量，下标r表示相对，代表某元素。相对原子质量是一个无量纲的相对值，没有单位。[3][2]

原子量的计算公式：

fi表示该元素第i种同位素的天然丰度 （原子分数），Mi表示该元素第i种同位素的质量与一个12C原子质 量的1/12之比。[2]

例如铼lái有两种天然同位素，185Re和187Re，1977年测定的相对原子质量和同位素丰度分别为184.952977，37.298%和186.955765，62.602%，由此得到的镍niè的相对原子质量为：184.952977×0.37298+186.955765×0.62602=186.02[5]

历史发展

1803年10月21日，英国气象物理学家道尔顿（John Dalton）在曼彻斯特哲学会上首次提出原子量[注1]这一概念，并以氢的原子量为1作为其他原子量的基准，并正式公布了第一张原子量表。1807年，英国化学家武拉斯顿（William Hyde Wollaston）通过《化学体系》了解到道尔顿的原子论，但对其原子量值的实用性和可靠性表示怀疑。1814年，他发表了《一种化学当量尺的概述》，并建议替代原子量。[4]

道尔顿发表的原子量表 注：该图片仅用于百科使用，如有不便，可联系删除
道尔顿发表的原子量表 注：该图片仅用于百科使用，如有不便，可联系删除

1814年~1826年，瑞典科学家贝齐里乌斯（J.J.Berzelius）废弃了道尔顿以氢为1的原子量基准，选用氧原子量为100的基准计算其他元素原子量。先后发表了化学法测定的50个元素的原子量表，测量精度达到±(1%~2%)，其中大部分原子量已接近现代原子量数值。[4][6]1860年，比利时化学家斯达（J.S.Stas）提出以Ar(O)=16为基准，很快得到公认并在化学领域沿用了整整一个世纪。[6]1929年，美国化学家吉奥克和约翰斯顿从氧的光谱中，发现氧含有原子量为17和18的同位素。氧的16O、17O和18O三种同位素，在自然界分布不均匀，因此用天然氧作为原子量的测定基准就欠妥了，就放弃了国际原子量基准，选用16O=16为物理基准；化学基准不变，仍用天然的氧元素O。从此原子量就有了两种标度。1940年国际原子量委员会确定以1.000275作为２种标度的换算因子，即化学原子量＝物理原子量/1.000275。[4][2][7]

1959年，德国物理学家马陶赫（J.Mattauch）向国际纯粹与应用化学联合会建议采用12C=12.0000作为原子量的基准，理由是有利于用质谱仪精确测定原子量。国际纯粹与应用化学联合会将马陶赫的建议提交国际纯粹与应用物理联合会。1960年国际纯粹与应用物理联合会接受了这一建议，1961年国际纯粹与应用化学联合会正式通过了采用12C=12.0000作为原子量的基准。[2]

1979年国际原子量委员会更名为现今的“原子量与同位素丰度委员会”。同年提出了原子量的定义：一种指定来源元素的原子量是组成的各原子的平均质量（加权）与核素12C原子质量的1/12的比值。[2]

化学测量法

最早的原子量测量方法是基于化学测量法，即利用化学反应测出元素的当量，然后乘以原子价即得原子量。这个方法的关键在于对样品质量的称重以及所用样品的化学纯度，这将决定原子量测量结果的准确性。[6]

相对质谱法

在质谱仪中，被测样品中的元素产生带正电荷的离子，正离子先后通过电场和磁场后发生偏转。无论正离子传输的速度是快或慢，只要质量与电荷之比m/q（简称质荷比）相同的离子就会被聚焦在一处，不同m/q的正离子将聚焦在不同位置，从而实现不同同位素离子的区分。通过测定各个同位素离子流的信号强度便可求出这些同位素的相对丰度，进而计算出该元素的原子量。[6]

绝对质谱法

主要采用的方法是使用已知的浓缩同位素试剂，通过称重法配制人工合成混合样品来测量质谱仪器的质量偏倚校正系数K，然后在相同的测量条件下，用校正过的质谱仪器去测量天然样品，从而求得同位素丰度的绝对值，并利用下面公式计算得到元素的原子量。该方法实际上是利用化学计量的方法，通过重量法来消除测量过程中出现的系统误差，进行同位素丰度的绝对测量。[6]

其中，E代表被测元素；n代表元素E有n个同位素；Ar(E)代表被测元素E的原子量；fi是i同位素的丰度；Mi是i同位素的相对原子质量。[6]

绝对质谱法测量原子流程图 注：该图片仅用于百科使用，如有不便，可联系删除
绝对质谱法测量原子流程图 注：该图片仅用于百科使用，如有不便，可联系删除

相对分子质量

相对分子质量简称“分子量”，符号Mr。分子是由原子组成，当知道组成分子的元素及其原子数时，可以知道其分子式，并计算出其相对分子质量。相对分子质量等于组成该分子的各原子的相对原子质量的总和，故相对分子质量也应是无量纲的。[1][8]

摩尔质量

摩尔质量，它的定义是单位物质的量（每摩尔）的物质所具有的质量，即以质量除以物质的量，通常用符号M表示，其单位为“千克/摩”（kg·mol-1）或“克/摩”（g·mol-1）。并且任何原子、分子或离子的摩尔质量，在单位为g·mol-1时，在数值上等于其相对原子质量、相对分子质量或相对离子质量。[9][10]

例如：O2的相对分子质量，Mr(O2)=32

1molO2的质量m(O2)=0.032kg

O2的摩尔质量M=m(O2)/n(O2)=0.032kg/1mol=32g·mol-1[10]

原子量表

原子量表[11][12][13]元素符号原子数原子量H1[1.0078，1.0082]He24.0026Li3[6.938，6.997]Be49.0122B5[10.806，10.821]C6[12.0096，12.012]N7[14.006，14.008]O8[15.999，16.000]F918.998Ne1020.180Na1122.990Mg12[24.304，24.307]Al1326.982Si14[28.084，28.086]P1530.974S16[32.059，32.076]Cl17[35.446，35.457]Ar18[39.792，39.963]K1939.098Ca2040.078Sc2144.956Ti2247.867V2350.9415Cr2450.942Mn2554.938Fe2655.845Co2758.933Ni2858.693Cu2963.546Zn3065.38Ga3169.723Ge3272.630As3374.922Se3478.971Br35[79.901，79.907]Kr3683.798Rb3785.468Sr3887.62Y3988.906Zr4091.224Nb4192.906Mo4295.95Tc4396.90636Ru44101.07Rh45102.91Pd46106.42Ag47107.87Cd48112.41In49114.82Sn50118.71Sb51121.76Te52127.60I53126.90Xe54131.29Cs55132.91Ba56137.33La57138.91Ce58140.12Pr59140.91Nd60144.24Pm61144.91276Sm62150.36Eu63151.96Gd64157.25Tb65158.93Dy66162.50Ho67164.93Er68167.26Tm69168.93Yb70173.05Lu71174.97Hf72178.49Ta73180.95W74183.84Re75186.21Os76190.23Ir77192.22Pt78195.084Au79196.97Hg80200.59Tl81[204.38，204.39]Pb82207.2Bi83208.98Po84208.98243At85209.98715Rn86222.01758Fr87223.01973Ra88226.02541Ac89227.02775Th90232.04Pa91231.04U92238.03Np93237.048172Pu94244.06420Am95243.061380Cm96247.07035Bk97247.07031Cf98251.07959Es99252.0830Fm100257.09511Md101258.09843No102259.10100Lr103266.120Rf104267.122Db105268.126Sg106269.128Bh107270.133Hs108269.1336Mt109277.154Ds110282.166Rg111282.169Cn112286.179Nh113286.182Fl114290.192Mc115290.196Lv116293.205Ts117294.211Og118295.216

名字争议

“原子量”这个名词在20世纪60年代初引起了一场争论。1961年世界物理学家和化学家达成了历史性的协议，决定采用12C作为原子质量的基准，当时物理学家决定对某一核素的质量采用atomic mass来表征，这对化学家提出了挑战，是否也同时要将atomic weight（weight中文翻译为重量）改为atomic mass（mass中文翻译为质量）？当时，国际原子量委员会（ICAW）决定废弃atomic weight，将the commission on atomic weights改为the commission on atomic masses，并建议今后要采用“相对原子质量表”（table of relative atomic masses）。这一建议遭到国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）总部的强烈反对而未获批准。到了1969年，原子量委员会做出了仍保留atomic weight的决定。[1]

1993年，中国国家标准（以下简称“国标”）GB3102.8—1993公布，其中将“原子量”改为“相对原子质量”，“分子量”改为“相对分子质量”，做此更改主要是为与国际接轨。但是关于原子量、分子量的定名在学术界一直有着较大的争议。有些学者认为中国标准应向国际标准靠拢，但更多的学者，尤其是高等院校和研究机构的学者认为：虽应向国际标准靠拢，但名词命名主要是根据概念内涵，不一定对译；另外，对于使用时间长且影响大的名词还要考虑到约定俗成的因素。最终经化学名词审定委员会专家讨论，现阶段将“原子量”作为正称，“相对原子质量”作为“原子量”的同义词使用。同样，将“分子量”作为正称，“相对分子质量”作为“分子量”的同义词使用。[1]

参考资料 13

  1. 原子量、相对原子质量，分子量、相对分子质量的定名 — 全国科学技术名词审定委员会事务中心
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 同位素的发现及其研究 — 学习强国
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 原子量表（2022） — 日本化学会?
  12. IUPAC化学元素周期表 — 中国化学会
  13. Atomic Mass | Periodic Table of Elements - PubChem — PubChem

注释

  1. 道尔顿当时提出原子量的概念为同一元素的所有原子，重量相同；不同元素原子的重量不同；元素的相对的原子量是由元素化合时的比例决定的，且这些元素以简单的整数比例进行化合。
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