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.

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.

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.