มวลอะตอมและมวลโมเลกุล

ตัวเลขในตารางธาตุช่วยเชื่อมมวลระดับอะตอมกับการชั่งสาร แต่ต้องแยกค่ามวลเฉลี่ยของธาตุออกจากมวลของอนุภาคหนึ่งตัวและมวลต่อหนึ่งโมล

อ่านสัญลักษณ์ธาตุและเลขห้อยในสูตรได้; ใช้หน่วย u สำหรับระดับอะตอม และ g/mol เมื่อพูดถึงหนึ่งโมล

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. มวลอะตอมสัมพัทธ์เทียบกับมาตรฐานคาร์บอน-12

มวลอะตอมสัมพัทธ์ ( $A_r$ ) เป็นค่าเปรียบเทียบที่ไม่มีหน่วย เพื่อแสดงว่าอะตอมหนึ่งมีมวลเป็นกี่เท่าของหน่วยมวลอะตอมมาตรฐาน

นิยามของมวลอะตอมสัมพัทธ์ ( $A_r$ ):
- เป็นอัตราส่วนเปรียบเทียบกับ $\frac{1}{12}$ ของมวลอะตอมคาร์บอน-12 ( $^{12}\mathrm{C}$ ) 1 อะตอม
- ไม่มีหน่วย เนื่องจากเป็นปริมาณมวลหารด้วยมวล
- ค่าในตารางธาตุเป็น มวลอะตอมเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก ตามความชุกของไอโซโทปในธรรมชาติ ไม่ใช่มวลของอะตอมเดี่ยวตัวใดตัวหนึ่ง

การ์ด Ar(Cl) ≈ 35.45 ไม่มีหน่วย เชื่อมไปยัง Cl หนึ่งอะตอม ≈ 35.45 u และมวลโมลาร์ M(Cl) ≈ 35.45 g/mol พร้อมหมายเหตุว่า Ar เป็นค่าเฉลี่ยของไอโซโทป — ภาพสามช่องเชื่อมค่า Ar ของ Cl ที่ไม่มีหน่วยกับมวลอะตอมเฉลี่ยใน u และมวลโมลาร์ใน g/mol สังเกตว่าตัวเลขคล้ายกันแต่ใช้อ้างอิงต่างกัน

จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
- ภาพรวม: การเปรียบเทียบตัวเลข 35.45 ของคลอรีนใน 3 บริบทที่แตกต่างกัน
- ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
  - $A_r(\mathrm{Cl}) \approx 35.45$ : มวลอะตอมสัมพัทธ์เฉลี่ย $\rightarrow$ ไม่มีหน่วย
  - $\mathrm{Cl}$ 1 อะตอม $\approx 35.45\ \mathrm{u}$ : มวลระดับอนุภาคเดี่ยว $\rightarrow$ หน่วย $\mathrm{u}$ (Unified atomic mass unit หรือ $\mathrm{Da}$ )
  - $\mathrm{Cl}$ 1 โมล $\approx 35.45\ \mathrm{g/mol}$ : มวลระดับมหภาค $\rightarrow$ หน่วยกรัมต่อโมล ( $\mathrm{g/mol}$ )
- ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงความสัมพันธ์เชิงสเกลตัวเลข ค่า $35.45$ เป็นค่าเฉลี่ยของไอโซโทป $^{35}\mathrm{Cl}$ และ $^{37}\mathrm{Cl}$ ในธรรมชาติ ไม่ใช่มวลจริงของอะตอมคลอรีนใด ๆ

2. แยกมวลต่ออะตอมออกจากมวลต่อโมล

หน่วยมวลอะตอม ( $\mathrm{u}$ ):
- ใช้สำหรับวัดมวลของอนุภาคระดับจุลภาค เช่น 1 อะตอม หรือ 1 โมเลกุล โดย $1\ \mathrm{u} \approx 1.66054 \times 10^{-24}\ \mathrm{g}$
มวลโมลาร์ ( $M$ , หน่วย $\mathrm{g/mol}$ ):
- มวลของสารจำนวน $1\ \text{mol}$ ( $6.022 \times 10^{23}$ อนุภาค)
- สำหรับธาตุเดียวกัน ตัวเลขของมวลในหน่วย $\mathrm{u}$ ต่อนิยามอนุภาค และตัวเลขของมวลโมลาร์ในหน่วย $\mathrm{g/mol}$ จะเท่ากันเชิงตัวเลข แต่สื่อถึงขนาดของระบบคนละระดับ
ข้อพึงระวังในการคำนวณ:
- อย่าสับสนระหว่าง มวลของตัวอย่าง ( $m$ , หน่วย $\mathrm{g}$ ) กับ มวลโมลาร์ ( $M$ , หน่วย $\mathrm{g/mol}$ )
- มวล $m$ คือปริมาณที่ชั่งจริง ส่วน $M$ เป็นค่าคงที่จำเพาะของสารที่ใช้แปลงระหว่างมวลและโมล

3. มวลโมเลกุลสัมพัทธ์และมวลสูตร

มวลโมเลกุลสัมพัทธ์ ( $M_r$ ):
- สำหรับสารที่อยู่เป็นโมเลกุลเดี่ยว คำนวณจากผลรวมของ $A_r$ ของทุกอะตอมในสูตรโมเลกุลคูณด้วยเลขห้อย (ไม่มีหน่วย)
มวลสูตร (Formula Mass):
- สำหรับสารประกอบไอออนิก (เช่น $\mathrm{MgCl_2, NaCl}$ ) และผลึกร่างตาข่าย ซึ่งไม่มีหน่วยโมเลกุลเดี่ยวในธรรมชาติ จะคำนวณผลรวมมวลตามสูตรเอมพิริคัลและเรียกว่า มวลสูตร ไม่ใช่มวลโมเลกุล
- ในการคำนวณมวลสูตร ให้คูณเลขห้อยกับมวลอะตอมของแต่ละธาตุ และไม่ต้องนำประจุของไอออนมาคิดเป็นมวล

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

หามวลโมลาร์จากสูตร

สังเกตจากโจทย์: ให้สูตรสารและค่ามวลอะตอมจากตารางธาตุ

เลือกวิธีคิด: อ่านเลขห้อยให้ครบ แยกว่ามีโมเลกุลหรือหน่วยสูตร แล้วบวกมวลของธาตุแต่ละชนิดพร้อมระบุ g/mol

แปลค่าทศนิยมของธาตุ

สังเกตจากโจทย์: ถามว่าทำไม Cl หรือ Cu มีค่าไม่เป็นจำนวนเต็ม

เลือกวิธีคิด: อธิบายค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของไอโซโทป; อย่าตีความค่าทศนิยมเป็นจำนวนอนุภาคย่อยของอะตอมหนึ่งตัว

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · คำนวณมวลโมลาร์ของ CO₂

ใช้ Ar(C)=12.01 และ Ar(O)=16.00 จงหามวลโมลาร์ของคาร์บอนไดออกไซด์

สูตรมี C หนึ่งอะตอมและ O สองอะตอม จึงต้องนับ O สองครั้ง
รวมมวลตามเลขห้อย: 12.01 + 2(16.00) = 44.01
เมื่อถามมวลต่อหนึ่งโมลให้ใส่หน่วย g/mol; ค่า Mr 44.01 เองไม่มีหน่วย

คำตอบ: M(CO₂) = 44.01 g/mol; Mr(CO₂) = 44.01

ตรวจเหตุผล: มวล O รวม 32.00 g/mol มากกว่ามวล C 12.01 g/mol จึงสมเหตุสมผลที่ผลรวมเป็น 44.01 g/mol

ตัวอย่าง 2 · ระบุคำให้ถูกกับ MgCl₂

ใช้ Ar(Mg)=24.31 และ Ar(Cl)=35.45 จงหามวลสูตรของ MgCl₂ และบอกเหตุผลที่ไม่เรียกมวลโมเลกุล

อ่านสูตรเป็นอัตราส่วน Mg หนึ่งต่อ Cl สองในผลึกไอออนิก
คำนวณ 24.31 + 2(35.45) = 95.21
ผลึกแทนด้วยหน่วยสูตรซ้ำทั่วโครงผลึก ไม่ใช่โมเลกุล MgCl₂ แยกตัวหนึ่งตัว

คำตอบ: มวลสูตร = 95.21 u ต่อหน่วยสูตร หรือ M ≈ 95.21 g/mol

ตรวจเหตุผล: มีหน่วย u เมื่อกล่าวถึงหนึ่งหน่วยสูตร และ g/mol เมื่อกล่าวถึงหนึ่งโมล; อย่าเรียกหน่วยสูตรไอออนิกว่าโมเลกุล