Кіріспе
Химияда белгілі пропорциялар заңы, кейде Пруст заңы немесе тұрақты құрамы заңы деп аталады, бұл нақты химиялық қосылыс әрқашан өзінің құрамына кіретін элементтерді белгілі бір қатынаста (масса бойынша) қамтиды және оның алыну көзіне және дайындалу тәсіліне тәуелді емес. Мысалы, таза судың кез келген үлгісінің массасының шамамен 8/9 бөлігін оттек құрайды, ал қалған 1/9 бөлігін сутек құрайды: қосылыстағы екі элементтің массасы әрқашан бірдей қатынаста болады. Көп пропорциялар заңымен бірге, белгілі пропорциялар заңы стехиометрияның негізін құрайды.
In chemistry, the law of definite proportions, sometimes called Proust's law or the law of constant composition, states that a given
chemical compound always contains its component elements in fixed ratio (by mass) and does not depend on its source and method of preparation. For example, oxygen makes up about 8/9 of the mass of any sample of pure water, while hydrogen makes up the remaining 1/9 of the mass: the mass of two elements in a compound are always in the same ratio. Along with the law of multiple proportions, the law of definite proportions forms the basis of stoichiometry.
Тарих
Белгілі бір пропорцияның заңы Жозеф Пруст 1797 жылы Испанияның Сеговия қаласында жариялады. Бұл байқауды алғаш рет ағылшын діншісі және химигі Джозеф Пристли, сондай-ақ күю процесін зерттеген француз аристократы және химигі Антуан Лавуазье жасаған. 1794 жылы Пруст заңды былай формулировкалады: «Мен осы тәжірибелерден осы еңбектің басында белгілеген қағиданы шығарып, мынадай қорытындыға келемін: темір, көптеген басқа металдар сияқты, әрбір нағыз қосылысқа жетекшілік ететін табиғат заңына бағынады, яғни ол оттегімен екі тұрақты пропорцияда бірігеді. Ол бұл жағынан қалайы, сынап және қорғасыннан, тіпті барлық белгілі жанғыш заттардан ерекшеленбейді». Химиялық қосылыс туралы түсінік толыққанды қалыптаспаған 18 ғасырдың соңында бұл заң жаңалық болды. Шындығында, алғаш ұсынылғанда бұл даулы мәлімдеме болды және басқа химиктер, әсіресе Прусттың француз әріптесі Клод Луи Бертолле оған қарсы шықты, ол элементтер кез келген пропорцияда біріге алатынын айтты. Бұл пікірталас сол кезде таза химиялық қосылыстар мен қоспалар арасындағы шекара толыққанды дамымағанын көрсетеді. Белгілі пропорциялардың заңы Джон Далтон 1803 жылдан бастап насихаттаған атомдық теорияға үлес қосты және оны берік теориялық негізге қойды, бұл теория материяның дискретті атомдардан тұратынын, әр элемент үшін бір типті атом бар екенін және қосылыстар әртүрлі типтегі атомдардың белгілі пропорциядағы комбинацияларынан тұратынын түсіндірді. Бұл идеямен байланысты ертегі идея – ағылшын химигі Уильям Прут ұсынған Прут гипотезасы. Осы гипотезадан бүтін сан қағидасы туындады, ол атомдық массалардың сутегі массасының бүтін еселігі болуын білдірді. Бұл кейінірек 1820 және 30 жылдары атомдық массаның дәлірек өлшемдерінен кейін жоққа шығарылды, атап айтқанда Йонс Якоб Берзелиус жүргізген өлшемдер хлордың атомдық массасы 35,45 екенін көрсетті, бұл гипотезаға қайшы келді. 1920 жылдан бері бұл айырмашылық изотоптардың болуымен түсіндіріледі; кез келген изотоптың атомдық массасы бүтін сан қағидасын қанағаттандыруға өте жақын, ал әртүрлі байланыс энергиясының салдарынан туындаған масса дефициті айтарлықтай кішкентай.
The law of definite proportions might seem obvious to the modern chemist, inherent in the very definition of a chemical compound. At the end of the 18th century, however, when the concept of a chemical compound had not yet been fully developed, the law was novel. In fact, when first proposed, it was a controversial statement and was opposed by other chemists, most notably Proust's fellow Frenchman Claude Louis Berthollet, who argued that the elements could combine in any proportion. The existence of this debate demonstrates that, at the time, the distinction between pure chemical compounds and mixtures had not yet been fully developed. The law of definite proportions contributed to, and was placed on a firm theoretical basis by, the atomic theory that John Dalton promoted beginning in 1803, which explained matter as consisting of discrete atoms, that there was one type of atom for each element, and that the compounds were made of combinations of different types of atoms in fixed proportions. A related early idea was Prout's hypothesis, formulated by English chemist William Prout, who proposed that the hydrogen atom was the fundamental atomic unit. From this hypothesis was derived the whole number rule, which was the rule of thumb that atomic masses were whole number multiples of the mass of hydrogen. This was later rejected in the 1820s and 30s following more refined measurements of atomic mass, notably by Jöns Jacob Berzelius, which revealed in particular that the atomic mass of chlorine was 35.45, which was incompatible with the hypothesis. Since the 1920s this discrepancy has been explained by the presence of isotopes; the atomic mass of any isotope is very close to satisfying the whole number rule, with the mass defect caused by differing binding energies being significantly smaller.
Стойхиометриялық емес қосылыстар мен изотоптар
Қазіргі химияның негізін қалауда өте пайдалы болса да, белгілі пропорция заңы әрқашан дұрыс емес. Үлгіден үлгіге элементтік құрамы өзгере алатын стехиометриялық емес қосылыстар бар. Мұндай қосылыстар көп пропорция заңына бағынады. Мысалы, темір оксидінің уститін қарастырайық, онда әрбір оттегі атомына 0,83-тен 0,95-ке дейін темір атомдары кездеседі, демек, масса бойынша оттегінің мөлшері 23-тен 25%-ға дейін болуы мүмкін. Идеалдық формуласы – FeO, бірақ кристаллографиялық бос орындардың болуына байланысты ол шамамен Fe0.95O құрамын алады. Жалпы, Пруст жасаған өлшемдер мұндай өзгерістерді анықтауға жеткілікті дәл болған жоқ. Сонымен қатар, элементтің изотоптық құрамы оның бастапқы көзіне байланысты өзгеруі мүмкін, сондықтан тіпті таза стехиометриялық қосылыстың массасына да оның үлесі өзгеріп отыруы мүмкін. Бұл өзгеріс радиометриялық талдауларда қолданылады, себебі астрономиялық, атмосфералық, мұхиттық, жер қыртысы және Жердің терең қабаттарындағы процестер кейбір қоршаған орта изотоптарын жинақтауға мүмкіндік береді. Сутегі мен оның изотоптарын есептемегенде, бұл әсер көбінесе шағын болады, бірақ қазіргі заманғы құралдармен өлшенуге болады. Көптеген табиғи полимерлер (мысалы, ДНК, ақуыздар, көмірсулар) тіпті "таза" күйде де құрамы бойынша әртүрлі болады. Полимерлер әдетте молекулалық салмағы біркелкі (монодисперсті) және стехиометриясы тұрақты болған жағдайларда ғана "таза химиялық қосылыстар" деп есептелмейді. Мұндай ерекше жағдайларда олар изотоптық өзгерістерге байланысты заңды бұзуы мүмкін.