원자량

1. 개요[편집]

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原子量
Relative atomic mass / Relative atomic weight

원자 질량 상수 [math(m_{\rm u} = 1{\rm\,Da} = 1.660\,539\,066\,60(50)\times10^{-27}{\rm\,kg})][2]를 기준으로 삼은 각종 원자 질량의 상댓값. [math(m_{\rm u})]는 질량수가 [math(12)]인 탄소 원자 [math(\rm^{12}C)]의 질량의 [math(\dfrac1{12})]과 같으며[3] [math(\rm^{12}C)]의 질량을 [math(12)]라 놓았을 때의 상대량으로 이해해도 좋다. 원소 [math(\rm X)]의 원자량은 기호 [math(A_{\rm r})]을 이용해서 [math(A_{\rm r}(\rm X))]와 같이 나타낸다. 표준 원자량의 경우 [math(A_{\rm r,\,standard}(\rm X))]로 나타낸다.

2. 차원[편집]

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상대적인 값이기 때문에 차원이 없고 단위도 없다.

그러나 실제로 화학량론에서 계산을 할 때에는 원자량에 [math(\rm g/mol)]이라는 단위를 붙여서 쓰는데, 엄밀하게는 몰 질량 상수 [math(M_{\rm u} = 0.999\,999\,999\,65(30)\,{\rm g/mol})]을 원자량에 곱해서[4] 물리량 계산이 용이하도록 몰 질량을 이용하는 것이다. 이렇게 하는 이유는 사실상 물질량을 질량으로부터 구하기 때문인데, [math(\rm g)] 단위가 붙어있는 질량을 [math(\rm mol)] 단위가 붙은 물질량으로 바꾸기 위해서 단위가 없는 원자량, 분자량 등을 이용하기보다 몰 질량을 이용하는 것이 자연스럽기 때문이다. 구체적으론 어떤 물질의 질량을 [math(m)](단위는 [math(\rm g)]), 몰 질량을 [math(M)](단위는 [math(\rm g/mol)])이라고 할 때 물질량 [math(n)]은 다음과 같이 구하는데
이때 만약 [math(M)] 대신 [math(A_{\rm r})]을 쓴다면 [math(m)]의 단위 [math(\rm g)]이 그대로 남기 때문에 차원도 맞지 않거니와 계산 후에 [math(\rm g)]을 [math(\rm mol)]로 바꿔주는 작업을 해야하기 때문에 부자연스럽다. [math(M = A_{\rm r}{\cdot}M_{\rm u})]이므로 원자량을 명시한 관계식으로 나타내면
가 된다.

한편, [math(\rm mol)]을 단위로 하는 물질량 대신에 실제 질량 차원인 [math(\rm Da = 1.660\,539\,066\,60(50)\times10^{-27}\,{\rm kg})]을 쓰는 경우도 있는데, [math(M_{\rm u} = {\rm Da}{\cdot})][math(N_{\rm A})], 즉 [math(\rm1\,mol)]당 실제 질량을 나타낸 것이 [math(M_{\rm u})]이므로 [math(\rm Da)] 단위로 나타낸 수치와 [math(\rm g/mol)]로 나타낸 수치는 거의 같다고 보면 된다.

3. 필요성[편집]

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[math(\rm^{12}C)] 원자 1개의 실제 질량 [math(m{\left(\rm{}^{12}C\right)})]는
으로 이와 같이 원자 1개의 실제 질량은 매우 작아서 다루기 어렵고[5] 사용하기에 불편하다. 따라서 [math(\rm^{12}C)]의 질량의 [math(\dfrac1{12})]을 기준으로 정하고, 이와 비교한 다른 원자의 상대적인 질량을 그 원자의 원자량으로 사용한다.

4. 평균 원자량[편집]

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자연계에 존재하는 동위 원소의 존재 비율을 고려하여 평균값으로 나타낸 원자량이다. 동위원소를 분별해서 한 종류의 동위원소만이 존재하는 순물질을 실험에 쓰는 경우는 드물기 때문에 일반적으로 원자량이라고 하면 평균 원자량을 의미하는 것으로 이해하면 된다. 예를 들어 탄소의 경우 원자량이 [math(12)]인 [math(\rm^{12}C)]가 [math(98.94(10)\,\%)], 원자량이 [math(13.003\,354\,835\,336(252))]인 [math(\rm^{13}C)]가 [math(1.06(10)\,\%)] 존재하므로 [math(\rm C)]의 평균 원자량은 [math(12\times0.9894 + 13.003\,354\,835\,336\times0.0106 = 12.01)](유효숫자 4자리)[6]로 계산할 수 있다. 총 84종[7]의 원소에서 평균 원자량을 구할 수 있다. 나머지는 측정이 불가능하므로 가장 안정적인 동위 원소의 원자량을 적거나 질량수로 표기한다.

5. 표준 원자량[편집]

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평균 원자량에 대한 표준값으로, IUPAC의 산하 위원회인 CIAAW에서 제정한다. 보통은 평균 원자량에 기반한 값을 표준 원자량으로 정하지만, 샘플에 따라 값이 차이가 있는 경우나 평균 원자량을 구할 수 없는 원소일 경우에는 표준 원자량을 범위로 나타내기도 한다. 일종의 약속이기 때문에 학계에서 가장 보편적으로 쓰이는 값이다.

5.1. 원소별 표준 원자량[8]

CIAAW. Atomic weights of the elements 2020.

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