원자량

원자량 척도

19세기에 확정된 초기의 원자량 기준은 수소(원자량 1)였다. 1900~61년에는 산소(원자량 16)를 기준으로 하여 원자질량 단위는 산소 원자 질량의 1/16로 정의되었다.

1929년에 천연 산소는 가장 많이 존재하는 산소보다 약간 더 무거운 2개의 동위원소를 포함하며, 산소의 원자량 16은 천연에서 산출되는 산소의 3가지 동위원소 형태의 원자질량을 무게평균으로 나타낸 값이라는 사실을 발견했다.

따라서 이것은 몇 가지 이유로 바람직하지 못하다고 판정되어, 개개 동위원소의 상대적인 원자질량을 결정할 수 있게 된 후에 2번째 척도로 천연 혼합물의 값 대신 산소의 주요동위원소의 값을 16으로 확정했다. 물리학자들이 선호하는 2번째 척도(물리적 원자량)는 물리적 척도로 알려지게 되었고, 화학자들이 선호한 화학적 척도로 계속 사용된 초기 척도(화학적 원자량)는 일반적으로 순수한 동위원소라기보다는 천연 동위원소 혼합물로 연구되었다.

이 두 척도에 약간의 차이가 있으나 천연 산소의 동위원소 조성은 산출지에 따라 약간씩 변하기 때문에 두 척도 사이의 비 역시 정확히 결정할 수 없다. 또한 동일한 양을 다루는 데 있어서 매우 밀접한 관계에 있지만 서로 다른 두 척도를 가진다는 것은 불합리하다. 이러한 이유로 1961년에 화학자와 물리학자들은 새로운 척도를 확정했다. 이 척도는 ¹²C를 기준으로 한 것으로 그동안 화학적 원자량에 사용된 값들이 매우 조금씩만 변하게 되었다.

원자량을 결정하는 화학적 방법

19세기말에 화학자들은 원자량을 결정하는 데 있어서 두 척도(즉 수소의 상대적인 원자량을 1로 하는 것과 산소의 원자량을 16으로 하는 것)의 장점에 대해 논쟁을 벌였다. 이들 두 척도의 값은 1％ 정도만이 다르며, 두 원소의 결합무게비를 결정하여 두 척도 사이의 관계를 더 정확하게 결정하려고 많은 노력을 기울였다. 이 비에 관한 최초의 결과는 1821년에 발표되었으며, 1895년 미국의 화학자 E.M. 몰리와 1907년 W.A. 노이스가 자세하고 최종적인 연구를 발표하기까지 간격을 두고 다른 연구들이 계속 발표되었다.

몰리와 노이스의 결과는 서로 완전히 일치하지는 않았으나 두 연구의 평균치는 두 원소의 상대적인 원자량에 관해 최근의 물리적 결정에 따라 얻어진 결과와 잘 일치했다.

1912년 미국의 화학자인 G.P. 백스터와 C.R. 후버는 주의깊게 무게를 잰 산화철(Ⅲ)을 수소하에서 환원시켜 남은 순수한 철의 잔류물의 무게를 측정했다. 이들의 연구에서 철의 원자량이 55.8456으로 얻어졌는데, 이 값은 널리 인정되는 값인 55.847±0.003과 매우 일치한다. 염화은과 브로민화은의 안정성과 함께 매우 순수한 금속상태의 은을 만드는 방법이 상대적으로 쉬우므로 많은 연구자들은 은의 여러 수용성 염화물·브로민화물과 이에 해당하는 은의 염 사이의 등가비(반응하는 화학종의 양끼리의 관계)를 결정하게 되었다.

이러한 측정과 관련된 실험과정은 미국 하버드대학교의 T.W. 리처즈와 G.P. 백스터의 연구실과 독일 뮌헨대학교의 O. 회니히슈미트의 연구실에서 완성되었으며, 이제는 은의 염화물·브로민화물·산소와의 관찰비에 각각 0.001, 0.002, 0.003％의 오차가 있다. 이러한 결정은 1940년까지의 기간 동안 국제원자량표의 신뢰성에 많은 기여를 했다.

할로젠화물-은의 비율에 영향을 미친 것으로 지금까지 알려진 오차는 주로 염화은 또는 브로민화은의 침전물과 이미 형성된 용액 사이의 참평형(평형은 두 반대반응이 같은 속도로 이동할 때 얻어지는 모든 반응물과 생성물 사이의 균형상태)을 얻는 것이 실제로 불가능하기 때문인 것으로 보인다.

당량점(각 반응에서 같은 속도를 가질 때)이 침전물을 형성하지 않고 용액에서 반응하는 두 물질에 의해서 결정될 수 있다면 평형에 도달하는 것이 더 확실하다. 예를 들면 오산화아이오딘(물에 해리되면 아이오딘산을 형성)와 탄산소듐의 비와 오산화아이오딘이 아이오딘과 산소로 해리되어 얻어지는 비를 더하면 매우 적은 비율을 차지하는 조성에서 오산화아이오딘의 미소한 편차를 없애며, 소듐·탄소·아이오딘에서 이때 유도된 값은 현재 인정하고 있는 수치의 0.001％ 이내에서 일치한다(→ 화학평형).

원자량을 결정하는 물리적 방법

원자량을 물리적으로 측정하는 다양하고 정확한 방법이 급속하게 증가하고 있다. 화학적 측정을 토대로 하는 원자량 값으로부터 물리적 측정을 토대로 하는 원자량 값으로의 변화가 점차 완성되고 있다고 생각되지만 물리적 방법이 가장 정확하다고 예측하기는 아직 어렵다.

기본적으로 두 물리적 측정의 유형은 구별되어야 한다.

첫째로 한 원소의 원자량은 그 원소의 동위원소의 조성에 적합한 평균값으로 직접 정할 수 있다. 역사적으로 가장 중요한 방법은 아보가드로의 법칙에 따른 기체밀도비를 이용한 방법이다. 이 첫번째 유형의 가장 확실한 방법은 X선 회절법으로, 이 방법에서는 이상적으로 순수한 완전결정의 거시적 밀도를 X선 회절에 의해 3차원적으로 결정된 원자척도 방식 단위의 밀도와 비교한다(→ 아보가드로 법칙).

핵종의 원자질량을 물리적으로 결정하는 2번째 방식이 최초로 측정되었는데, 이것은 질량 스펙트럼(전하를 띤 입자를 원자핵의 원자질량에 따라 분리하는 방법)과 핵반응의 에너지 변화로 측정하는 것으로 정확도가 매우 크다. 하나의 핵종만으로 이루어진 원소의 원자량은 매우 정확하므로 곧바로 이용할 수 있다. 가장 큰 장점으로 핵종 질량으로부터 계산하기 전에 동위원소의 조성이 분리되어 측정된다.

2개 또는 3개 정도의 동위원소가 존재하는 경우 일반적으로 화학적 방법과 다른 물리적 방법보다 동위원소의 합성 혼합물로 보정된 질량분석법이 유리하다. 그러므로 언젠가는 질량분석법이 많은 원자량 값의 기본적인 측정방법으로 남게 될 것이다.

원자량표

편집상 최소한의 변화로 원자량을 나타낸 이 표는 국제순수응용화학연합(IUPAC)의 원자량 위원회에 의해 발표되며, 2년마다 개정된다. 이 표는 가능한 한 정확하고, 믿을 만한 정보가 제외되지 않도록 정확하게 나타내었으나 원자량을 동위원소 조성의 다양성과 이를 결정하는 불확정성에 의해 정의된 소수자리까지 올리지 못했다. 이 표는 또한 발표된 원자량이 정확하게 적용되기 전에 더 엄밀하게 기술할 필요가 있는 어떤 종류의 물질에 대해 보여준다.