แนวคิดเรื่องมวลสัมพัทธ์มีบทบาทสำคัญในสาขาเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราเจาะลึกเข้าไปในขอบเขตระดับจุลภาคของอะตอมและโมเลกุล โดยให้วิธีการหาปริมาณและเปรียบเทียบมวลของอะตอมและโมเลกุล ซึ่งมีขนาดเล็กเกินกว่าจะวัดได้โดยตรงกับเครื่องชั่งทั่วไป ในบทนี้ เราจะสำรวจว่ามวลสัมพัทธ์หมายถึงอะไร นิยามมวลได้อย่างไร และความสำคัญของมวลในการทำความเข้าใจองค์ประกอบของอะตอมและโมเลกุล
ที่แกนกลาง มวลสัมพัทธ์เป็นปริมาณไร้มิติที่บอกเราว่าอะตอมหรือโมเลกุลหนึ่งมีน้ำหนักเท่าใดเมื่อเทียบกับอีกอะตอมหนึ่ง การเปรียบเทียบนี้มักจะทำด้วยความเคารพต่อไอโซโทปคาร์บอน-12 ซึ่งได้รับการกำหนดมวลอะตอมสัมพัทธ์ไว้ที่ 12 หน่วยพอดี การทำเช่นนี้ นักเคมีจะมีจุดอ้างอิงมาตรฐานในการเปรียบเทียบมวลของอะตอมและโมเลกุลต่างๆ มวลสัมพัทธ์มีสองประเภทหลักๆ ที่มีความสำคัญในวิชาเคมี ได้แก่ มวลอะตอมสัมพัทธ์ และมวลโมเลกุลสัมพัทธ์
มวลอะตอมสัมพัทธ์ (Ar) ของธาตุหมายถึงมวลเฉลี่ยของอะตอมของธาตุนั้น โดยคำนึงถึงความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติของไอโซโทปของมัน เมื่อเปรียบเทียบกับ 1/12 ของมวลของอะตอมคาร์บอน-12 ในทางคณิตศาสตร์สามารถแสดงได้เป็น:
\(A_r = \frac{\textrm{มวลเฉลี่ยของอะตอมของธาตุ}}{\frac{1}{12}\times \textrm{มวลของอะตอมคาร์บอน-12}}\)ตัวอย่างเช่น มวลอะตอมสัมพัทธ์ของไฮโดรเจนเมื่อพิจารณาจากไอโซโทปของไฮโดรเจนจะอยู่ที่ประมาณ 1.008 ซึ่งหมายความว่าโดยเฉลี่ยแล้วอะตอมของไฮโดรเจนจะหนักประมาณ 1.008 เท่าของอะตอมของคาร์บอน-12 ประมาณ 1.008 เท่า
ในทำนองเดียวกัน มวลโมเลกุลสัมพัทธ์ (Mr) ของโมเลกุลคือผลรวมของมวลอะตอมสัมพัทธ์ของอะตอมในโมเลกุลนั้น หากโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมหลายอะตอม เราก็เพียงบวกมวลอะตอมสัมพัทธ์ของแต่ละอะตอมเข้าด้วยกันเพื่อค้นหามวลสัมพัทธ์ของโมเลกุล สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมประเภทต่างๆ ตัวอย่างเช่น น้ำ (H₂O) มีมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ประมาณ 18.015 (2 x 1.008 สำหรับไฮโดรเจน + 15.999 สำหรับออกซิเจน)
โมลเป็นหน่วยที่นักเคมีใช้เชื่อมโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์ของอะตอมและโมเลกุลกับโลกมหภาคที่เราสามารถสังเกตและวัดได้ สารใดๆ หนึ่งโมลประกอบด้วยอนุภาคของสารนั้นขนาด 6.022 x 10²³ พอดี ไม่ว่าจะเป็นอะตอม โมเลกุล ไอออน หรืออิเล็กตรอน หมายเลขนี้เรียกว่าหมายเลขของอาโวกาโดร มวลของสารหนึ่งโมลซึ่งมีหน่วยเป็นกรัม เท่ากับมวลอะตอมหรือมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ ซึ่งทำให้โมลเป็นวิธีที่ใช้งานได้จริงในการตรวจวัดสารในห้องปฏิบัติการ
ในการคำนวณจำนวนโมล ( \(n\) ) ในมวลที่กำหนด ( \(m\) ) ของสาร เราใช้สูตร:
\(n = \frac{m}{M_r}\)โดยที่ \(M_r\) คือมวลโมลาร์ของสาร ซึ่งมีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ แต่แสดงเป็นกรัมต่อโมล (g/mol) ตัวอย่างเช่น หากต้องการหาจำนวนโมลในน้ำ 36 กรัม เราใช้มวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของน้ำ (18.015 กรัม/โมล) ดังนี้
\(n = \frac{36}{18.015} \approx 2 \textrm{ ไฝ}\)การทำความเข้าใจมวลสัมพัทธ์และโมลเป็นพื้นฐานในการทำปฏิกิริยาและการทดลองทางเคมี ตัวอย่างเช่น เมื่อรวมธาตุต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อสร้างสารประกอบ การทราบมวลสัมพัทธ์ของธาตุจะช่วยให้นักเคมีผสมธาตุเหล่านั้นในสัดส่วนที่แน่นอนที่จำเป็นสำหรับการเกิดปฏิกิริยา สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าสารตั้งต้นทั้งหมดจะถูกใช้จนหมด โดยไม่มีสารตั้งต้นใดๆ มากเกินไป
มวลสัมพัทธ์ ซึ่งครอบคลุมทั้งมวลอะตอมสัมพัทธ์และมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ เป็นแนวคิดที่สำคัญในวิชาเคมีที่อำนวยความสะดวกในการเปรียบเทียบ การวัด และการจัดการสารในระดับอะตอมและโมเลกุล ด้วยการเชื่อมโยงปริมาณที่มองด้วยกล้องจุลทรรศน์เหล่านี้กับโลกที่มองเห็นด้วยตาเปล่าผ่านแนวคิดเรื่องโมล นักเคมีจึงสามารถคำนวณและทำนายผลลัพธ์ของปฏิกิริยาและกระบวนการทางเคมีได้อย่างแม่นยำ ความเข้าใจนี้ไม่เพียงแต่จำเป็นสำหรับการสำรวจทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการใช้งานจริงด้วย เช่น การแพทย์ วิศวกรรมศาสตร์ และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม
