مفهوم جرم نسبی نقش محوری در زمینه شیمی ایفا می کند، به ویژه زمانی که ما در قلمرو میکروسکوپی اتم ها و مولکول ها تحقیق می کنیم. این روشی را برای تعیین کمیت و مقایسه جرم اتم ها و مولکول ها ارائه می دهد که در غیر این صورت برای اندازه گیری مستقیم با مقیاس های معمولی بسیار کوچک هستند. در این درس، معنی جرم نسبی، چگونگی تعریف و اهمیت آن در درک ترکیب اتمی و مولکولی را بررسی خواهیم کرد.
در هسته، جرم نسبی یک کمیت بدون بعد است که به ما می گوید وزن یک اتم یا مولکول در مقایسه با دیگری چقدر است. این مقایسه معمولاً با توجه به ایزوتوپ کربن 12 انجام می شود که جرم اتمی نسبی آن دقیقاً 12 واحد است. با انجام این کار، شیمیدانان یک نقطه مرجع استاندارد برای مقایسه جرم اتم ها و مولکول های مختلف دارند. دو دسته اصلی از جرم نسبی وجود دارد که در شیمی بسیار مهم هستند: جرم اتمی نسبی و جرم مولکولی نسبی.
جرم اتمی نسبی (Ar) یک عنصر به عنوان میانگین جرم اتم های عنصر، با در نظر گرفتن فراوانی طبیعی ایزوتوپ های آن، در مقایسه با 1/12 جرم اتم کربن 12 تعریف می شود. از نظر ریاضی می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:
\(A_r = \frac{\textrm{جرم متوسط یک اتم عنصر}}{\frac{1}{12}\times \textrm{جرم اتم کربن 12}}\)به عنوان مثال، جرم اتمی نسبی هیدروژن، با توجه به ایزوتوپ های آن، تقریباً 1.008 است. این بدان معناست که یک اتم هیدروژن به طور متوسط حدود 1.008 برابر یک دوازدهم اتم کربن 12 سنگین است.
به طور مشابه، جرم مولکولی نسبی (Mr) یک مولکول، مجموع جرم اتمی نسبی اتم های آن مولکول است. اگر یک مولکول از چندین اتم تشکیل شده باشد، به سادگی جرم اتمی هر اتم را جمع می کنیم تا جرم نسبی مولکول را پیدا کنیم. این به ویژه برای مولکول هایی که از انواع مختلف اتم تشکیل شده اند مفید است. برای مثال، آب (H2O) دارای جرم مولکولی نسبی تقریباً 18.015 است (2 x 1.008 برای هیدروژن + 15.999 برای اکسیژن).
مول واحدی است که شیمیدانان برای ایجاد پل بین دنیای میکروسکوپی اتم ها و مولکول ها با دنیای ماکروسکوپی که می توانیم مشاهده و اندازه گیری کنیم، استفاده می کنند. یک مول از هر ماده دقیقاً حاوی 6.022 در 1023 ذرات آن ماده است، اعم از اتم، مولکول، یون یا الکترون. این عدد به عدد آووگادرو معروف است. جرم یک مول از یک ماده، بر حسب گرم، برابر است با جرم اتمی یا مولکولی نسبی آن. این باعث می شود خال ها به روشی بسیار کاربردی برای اندازه گیری مواد در آزمایشگاه تبدیل شوند.
برای محاسبه تعداد مول ( \(n\) ) در جرم معین ( \(m\) ) یک ماده از فرمول استفاده می کنیم:
\(n = \frac{m}{M_r}\)جایی که \(M_r\) جرم مولی ماده است که از نظر عددی برابر با جرم مولکولی نسبی آن است اما بر حسب گرم بر مول (g/mol) بیان می‌شود. به عنوان مثال، برای یافتن تعداد مول ها در 36 گرم آب، از جرم مولکولی نسبی آب (18.015 گرم در مول) استفاده می کنیم:
\(n = \frac{36}{18.015} \approx 2 \textrm{ خال ها}\)درک جرم نسبی و مول در انجام واکنش‌ها و آزمایش‌های شیمیایی اساسی است. به عنوان مثال، هنگام ترکیب عناصر برای تشکیل ترکیبات، دانستن جرم نسبی عناصر به شیمیدانان اجازه می دهد تا آنها را به نسبت دقیق لازم برای واکنش مخلوط کنند. این تضمین می‌کند که تمام واکنش‌دهنده‌ها به طور کامل مصرف می‌شوند، بدون هیچ یک از واکنش‌دهنده‌ها.
جرم نسبی، که هم جرم اتمی نسبی و هم جرم مولکولی نسبی را در بر می گیرد، یک مفهوم مهم در شیمی است که مقایسه، اندازه گیری و دستکاری مواد در سطوح اتمی و مولکولی را تسهیل می کند. با پیوند دادن این مقادیر میکروسکوپی به دنیای ماکروسکوپی از طریق مفهوم مول، شیمیدانان می توانند نتایج واکنش ها و فرآیندهای شیمیایی را دقیقا محاسبه و پیش بینی کنند. این درک نه تنها برای اکتشاف علمی بلکه برای کاربردهای عملی مانند پزشکی، مهندسی و علوم محیطی نیز ضروری است.
