相対原子質量（Ar）とは？定義・計算式・同位体と標準原子量の関係

相対原子質量（Ar）の定義・計算式を図解でわかりやすく解説。同位体と標準原子量の関係や具体例（計算問題）も掲載。

相対原子質量（原子量とも呼ばれ、記号：_Ar）とは、原子がどれだけ重いかを表す指標です。これは、ある試料から得られる元素の原子1個あたりの平均質量と、炭素12個の原子の質量の1/12との比です。言い換えれば、相対原子質量とは、ある試料から得られた元素の平均原子が、炭素12の原子の12分の1よりも重い原子の何倍重いかを示しています。相対原子質量の相対という言葉は、この炭素12に対する相対的な尺度を指しています。相対原子質量の値は比であり、相対原子質量は無次元の量です。相対原子質量は原子量と同じで、これは古い用語です。

同位体（アイソトープ）とその質量

原子が持っている陽子の数によって、それが何の元素であるかが決まります。しかし、自然界に存在するほとんどの元素は、異なる数の中性子を持つ原子で構成されています。ある元素の原子のうち、ある数の中性子を持つ原子を同位体と呼びます。例えば、元素のタリウムには、タリウム-203とタリウム-205という2つの共通の同位体があります。タリウムはどちらの同位体も81個の陽子を持っていますが、タリウム-205は124個の中性子を持っており、122個のタリウム-203よりも2個多いのです。

それぞれの同位体には固有の質量があり、これを同位体質量（relative isotopic mass）といいます。一般に同位体の相対同位体質量は、炭素12原子の質量の1/12に対する同位体の質量の比として定義され、質量数（陽子＋中性子の合計）にほぼ等しい値になりますが、実際の値は核結合エネルギー（質量欠損）や電子の質量の影響でわずかに異なります。相対同位体質量も相対原子質量と同様に単位を持たない比率です。

相対原子質量の計算方法（加重平均）

ある元素の試料の相対原子質量は、その試料中に含まれる各同位体の相対同位体質量に、それぞれの存在比（相対存在比または割合）を掛け合わせた量の和、すなわち「存在比で重み付けした平均」を計算することで求められます。割合はモル比または原子比で表されます。

例えば、タリウムの試料が30%のタリウム-203と70%のタリウム-205から構成されているとします。相対原子質量Arは次のように求められます（ここでは各同位体質量をほぼ整数の質量数で近似しています）。

A r = ( 203 × 30 ) + ( 205 × 70 ) 100 = ( 6090 ) + ( 14350 ) 100 = 20440 100 = 204.4 {\displaystyle A_{r}={{frac {(203Times 30)+(205Times 70)}{100}}={{{frac {(6090)+(14350)}{100}}={\frac {20440}{100}}=204.4}}}。

上の計算では、(203 × 30%) + (205 × 70%) = 204.4 となり、この試料におけるタリウムの相対原子質量は204.4と表されます。実際の計算では同位体質量はより高精度の値を用い、百分率ではなくモル分率（合計が1.0になるように）を用いることが一般的です。

自然界での変動と標準原子量

2つ以上の同位体からなる元素の2つのサンプルは、地球上の異なる場所で採取されると、同位体組成のわずかな違いにより相対的な原子質量がわずかに異なることが予想されます。これには地殻・海洋・大気中の分別や生物学的な選択、放射性崩壊による生成などが影響します。

標準原子量とは、その元素のいくつかの代表的（正常な）サンプルの相対的な原子質量の平均値を指します。標準原子量の値は、国際純応用化学連合（IUPAC）の同位体量・原子量委員会によって整理・公表されます。各元素の標準原子量は周期表に記載されています。

近年、IUPACは自然の変動をより正確に反映するため、標準原子量を単一の値ではなく範囲（区間）として示す場合や、不確かさを明記する場合があります。したがって教科書などで示される値は代表値であり、特定の試料の厳密な相対原子質量とは若干異なることがあります。

用語の運用、測定法、化学への応用

化学・分析の現場では、しばしば「相対原子質量」という語が標準原子量（IUPAC値）を指すために使われます。これは、相対原子質量が本来「個々の試料」を表すための用語であるのに対し、実務では代表値が頻繁に使われるからです。例えば、地球外から得られたサンプル（他の天体由来）や特異な鉱物集合を含む試料では、地球上の標準原子量とは大きく異なる相対原子質量が観察されることがあります（惑星や隕石試料など）。

相対原子質量の測定には質量分析（特に同位体比質量分析）が用いられ、同位体比を高精度で決定することでArを算出します。化学計算では、相対原子質量の数値はそのままモル質量（g·mol−1）として扱われることが多く、例えば炭素の相対原子質量が12.011であれば、そのモル質量は約12.011 g·mol−1となります。つまり、数値は無次元だが便宜上g·mol−1として用いられることに注意してください。

注意点と補足

• 同位体質量は質量数とほぼ等しいが、核の結合エネルギーや電子の質量の影響でわずかに異なる。
• 標準原子量は代表値であり、特定の天然試料では異なる可能性がある。特に放射性同位体の生成や分別が進んだ試料では差が顕著になることがある。
• 化学計算で用いるときは、必要な精度に応じてIUPACの最新値を参照すること（同位体比の極微な違いが重要になる分析や同位体地球化学の研究では、個別に測定した同位体比を用いる）。

まとめると、相対原子質量（Ar）は炭素12を基準とした無次元の比であり、同位体組成に依存するため試料ごとに異なり得ます。実務ではIUPACが示す標準原子量がよく使われ、化学量論ではその数値をモル質量（g·mol−1）として使用することが一般的です。

質問と回答

Q: 相対原子質量とは何ですか?

Q: 相対原子質量の "relative "とはどういう意味ですか?

Q: 同位体とはどのように違うのですか?

Q: 試料の相対原子質量はどのように計算するのですか?

Q: 標準原子量とは何ですか?

Q: 異なる場所から採取された試料は、どのように相対原子質量が異なるのでしょうか?

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