Die Bestimmung der Masse makroskopischer Objekte ist uns vertraut. Eine Waage dient uns für diese Messung. Genaugenommen ermittelt sie die Gewichtskraft des Gegenstands, die infolge der Erdanziehung auf ihn wirkt.
Die Masse ist eine physikalische Größe, die unabhängig von der Gravitation ist. Man kennt das Beispiel von Astronauten auf dem Mond, wo sie nur ein Sechstel wiegen. Die Masse bleibt dadurch unverändert. Die SI-Einheit der Masse ist das Kilogramm (kg).
Atome und Moleküle haben unvorstellbar kleine Massen. Die Menge von 12 g Kohlenstoff entspricht der Stoffmenge von 1 Mol. Das Mol ist definiert als 6,022 x 1023 Teilchen. Das Mol ist sozusagen die „Standard-Herdengröße“ der Chemiker. Teilt man die 12 g (0,012 kg) durch diese Zahl (Avogadro-Zahl), so erhält man die Masse eines Kohlenstoffatoms zu 1,99 x 10-26 kg. Große Moleküle bestehen aus vielen Atomen, aber selbst ein großes Molekül wie das Protein Insulin hat nur eine Masse von 9,53 x 10-24 kg oder 9,53 x 10-21 g.
Um die Größe eines Moleküls zu verdeutlichen, kann man sich vor Augen führen, dass das Größenverhältnis zwischen einem Ascorbinsäure-Molekül (Vitamin C, ca. 1 nm) zu der Grapefruit (ca. 10 cm), in der Vitamin C enthalten ist, bei etwa 1: 100.000.000 liegt. Das Größenverhältnis dieser Grapefruit zur Erde ist ebenfalls 1:100.000.000.
Mit Wiegen ist es also aus. Empfindliche Laborwagen mögen vielleicht noch 1 µg (Mikrogramm, ein millionstel g oder 10-6 g) erfassen, doch bis zur Masse der Moleküle ist es noch weit, viel zu weit. Zählen wir einmal herunter: 1 ng (Nanogramm, ein milliardstel g oder 10-9 g), 1 pg (Pikogramm, ein billionstel g oder 10-12 g), 1 fg (Femtogramm, ein billiardstel g oder 10-15 g), 1 ag (Attogramm, ein trillionstel g oder 10-18 g). Immer noch trennt uns der Faktor 1000 von der Masse des Insulinmoleküls. Mit Wiegen ist es wirklich aus. Außerdem müsste man dafür Moleküle abgezählt auf eine Waage legen können.
Damit es mit den Atom- und Molekülmassen handlicher wird, verwendet man die Atommasseneinheit (unified atomic mass = vereinheitlichte atomare Masse) mit dem Einheitensymbol u. Die Atommasseneinheit ist definiert als 1/12 der Masse eines 12C-Atoms (das ist ein bestimmtes Nuklid von Kohlenstoff, das 98,9% des natürlichen Kohlenstoffs ausmacht). Analog zu unserer obigen Rechnung erhält man 1 u = 1,67 x 10-27 kg.
Kennt man die Massenzahl eines Atoms, so bekommt man dessen Masse recht genau durch Multiplikation mit 1 u. Dass das Ergebnis nicht exakt ist, scheint zunächst betrüblich, doch dieser Umstand lässt sich in der MS wunderbar ausnutzen (> exakte Masse). Ein Kohlenstoffatom 12C hat also eine Masse von 12 u oder 1,99 x 10-26 kg, ein Insulinmolekül hat 5734 u oder 9,53 x 10-24 kg. Die Molekülmassen in u sind eindeutig praktischer, nur ihre Dimension bleibt jenseits unserer Vorstellung. Sie trotzdem präzise zu erfassen, verlangt nach einer Messmethode anderer Art: Massenspektrometrie.
Ein Wort zu gigantisch großen und phantastisch kleinen Zahlen. Die Natur umfasst gewaltige Größenordnungen. Es sind eben oft Faktoren von einigen Milliarden, um die etwas kleiner oder größer, schneller oder langsamer ist. Atmosphärendruck sind rund 1000 mbar, Hochvakuum 10¿6 mbar, ein Milliardstel der Gasdichte eben. Ein Zuckermolekül (Saccharose) hat aufgrund seiner Zusammensetzung C12H22O11 die Masse von 342,3 u oder 5,72 x 10-25 kg; ein Zuckerkörnchen von 0,05 mg entspricht 1,46 x 10-5 mol oder 88 Trillionen Molekülen. Alles, was ausserhalb unserer täglichen Vorstellungswelt liegt, erscheint als etwas ganz Besonderes.
