Введение
В химии закон определенных пропорций, иногда называемый законом Пруста или законом постоянного состава, гласит, что данное химическое соединение всегда содержит свои составные элементы в фиксированном соотношении (по массе), независимо от источника соединения и способа его получения. Например, кислород составляет примерно 8/9 массы любого образца чистой воды, а водород – оставшиеся 1/9 массы: массы двух элементов в соединении всегда находятся в одном и том же соотношении. Вместе с законом кратных отношений, закон определенных пропорций является основой стехиометрии.
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.
История
Закон определенных пропорций был сформулирован Жозефом Прустом в испанском городе Сеговия в 1797 году. Это наблюдение впервые было сделано английским теологом и химиком Джозефом Пристли, а также Антуаном Лавуазье, французским дворянином и химиком, исследовавшим процесс горения. Так Пруст сформулировал закон в 1794 году: «Я заключаю, выводя из этих экспериментов принцип, установленный мной в начале этой работы, а именно, что железо, как и многие другие металлы, подчиняется закону природы, управляющему каждой истинной комбинацией, то есть, что оно соединяется с двумя постоянными пропорциями кислорода. В этом отношении оно не отличается от олова, ртути и свинца, и, в общем, от почти всех известных горючих веществ». Для современного химика закон определенных пропорций может показаться очевидным, поскольку он заложен в самом определении химического соединения. Однако в конце XVIII века, когда понятие химического соединения еще не было полностью разработано, этот закон был новым. Более того, при первом предложении он вызвал споры и встретил возражения со стороны других химиков, в частности, соотечественника Пруста, Клода Луи Бертолле, который утверждал, что элементы могут соединяться в любых пропорциях. Сам факт существования этих дебатов свидетельствует о том, что в то время четкое разграничение между чистыми химическими соединениями и смесями еще не было установлено. Закон определенных пропорций способствовал развитию и получил прочную теоретическую основу в атомной теории, которую Джон Дальтон начал продвигать с 1803 года. Эта теория объясняла, что материя состоит из дискретных атомов, что для каждого элемента существует один тип атома, и что соединения образуются из комбинаций различных типов атомов в фиксированных пропорциях. Схожей ранней идеей была гипотеза Прута, сформулированная английским химиком Уильямом Прутом, который предположил, что атом водорода является фундаментальной атомной единицей. Из этой гипотезы вытекало правило целых чисел, согласно которому атомные массы являются целыми кратными массы водорода. Однако в 1820-х и 1830-х годах эта гипотеза была отвергнута после более точных измерений атомной массы, в частности, Йёнсом Якобом Берцелиусом, который показал, что атомная масса хлора составляет 35,45, что не соответствовало гипотезе. С 1920-х годов это расхождение объясняется существованием изотопов: атомная масса любого изотопа очень близка к значению, удовлетворяющему правилу целых чисел, а дефект массы, вызванный различными энергиями связи, незначителен.
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.
Нестехиометрические соединения и изотопы
Хотя закон определенных пропорций очень полезен для основ современной химии, он не является универсальным. Существуют нестехиометрические соединения, элементарный состав которых может варьироваться от образца к образцу. Такие соединения подчиняются закону множественных пропорций. Примером является оксид железа устит, который может содержать от 0,83 до 0,95 атомов железа на каждый атом кислорода, и, следовательно, содержать от 23% до 25% кислорода по массе. Идеальная формула – FeO, но из-за кристаллографических вакансий она приближенно равна Fe0,95O. В целом, измерения Пруста были недостаточно точными для обнаружения таких вариаций. Кроме того, изотопный состав элемента может меняться в зависимости от его источника, следовательно, его вклад в массу даже чистого стехиометрического соединения может варьироваться. Эта вариация используется в радиометрическом датировании, поскольку астрономические, атмосферные, океанические, процессы в земной коре и в глубинах Земли могут избирательно концентрировать некоторые природные изотопы. За исключением водорода и его изотопов, эффект обычно невелик, но измерим с помощью современной аппаратуры. Многие природные полимеры различаются по составу (например, ДНК, белки, углеводы), даже будучи "чистыми". Полимеры обычно не рассматриваются как "чистые химические соединения", за исключением случаев, когда их молекулярная масса однородна (монодисперсна) и их стехиометрия постоянна. В этом необычном случае они все равно могут не соответствовать закону из-за изотопных вариаций.