В химии закон определенных пропорций , иногда называемый законом Пруста или законом постоянного состава , гласит, что данное химическое соединение всегда содержит составляющие его элементы в фиксированном соотношении (по массе) и не зависит от его источника и способа получения. Например, кислород составляет около 8/9 массы любой пробы чистой воды , а водород составляет оставшуюся 1/9 массы: массы двух элементов в соединении всегда находятся в одном и том же соотношении . Наряду с законом кратных пропорций в основе стехиометрии лежит закон определенных пропорций . [1]
Закон определенной пропорции был сформулирован Жозефом Прустом в испанском городе Сеговия в 1797 году . горение. Именно так Пруст сформулировал закон в 1794 году. [3]
В заключение я выведу из этих экспериментов принцип, который я установил в начале этих мемуаров, а именно. что железо, как и многие другие металлы, подчиняется закону природы, который господствует при каждом истинном соединении, а именно, что оно соединяется с двумя постоянными пропорциями кислорода. В этом отношении он не отличается от олова, ртути, свинца и, словом, почти от всех известных горючих материалов.
- Жозеф Л. Пруст, Исследования на голубом пруссе, Journal de Physique...
Современному химику может показаться очевидным закон определенных пропорций, заложенный в самом определении химического соединения. Однако в конце XVIII века, когда понятие о химическом соединении еще не было полностью разработано, закон был новым. Фактически, когда это было впервые предложено, это было противоречивое утверждение, и против него выступили другие химики, в первую очередь коллега Пруста, француз Клод Луи Бертолле , который утверждал, что элементы могут сочетаться в любых пропорциях. [4] Существование этих дебатов показывает, что в то время различие между чистыми химическими соединениями и смесями еще не было полностью разработано. [5]
Закон определенных пропорций внес свой вклад и был положен на прочную теоретическую основу в атомную теорию , которую Джон Дальтон продвигал начиная с 1803 года, которая объясняла материю как состоящую из дискретных атомов , что для каждого элемента существует один тип атома, и что соединения состоят из комбинаций атомов разных типов в фиксированных пропорциях. [6]
Родственной ранней идеей была гипотеза Праута , сформулированная английским химиком Уильямом Праутом , который предположил, что атом водорода является фундаментальной атомной единицей. Из этой гипотезы было выведено правило целых чисел , которое заключалось в том, что атомные массы были целыми числами, кратными массе водорода. Позже это было отвергнуто в 1820-х и 30-х годах после более точных измерений атомной массы, в частности, Йенсом Якобом Берцелиусом , который показал, в частности, что атомная масса хлора составляла 35,45, что несовместимо с гипотезой. С 1920-х годов это несоответствие объясняют наличием изотопов; атомная масса любого изотопа очень близка к удовлетворению правила целых чисел [7] , при этом дефект массы , вызванный разными энергиями связи , значительно меньше.
Хотя закон определенных пропорций очень полезен в качестве основы современной химии, он не всегда верен. Существуют нестехиометрические соединения , элементный состав которых может меняться от образца к образцу. Такие соединения подчиняются закону кратной пропорции. Примером является оксид железа вюстит , который может содержать от 0,83 до 0,95 атомов железа на каждый атом кислорода и, таким образом, содержать от 23% до 25% кислорода по массе. Идеальная формула — FeO, но из-за кристаллографических вакансий она составляет около Fe 0,95 О. В целом измерения Пруста были недостаточно точными, чтобы обнаружить такие вариации.
Кроме того, изотопный состав элемента может меняться в зависимости от его источника, следовательно, его вклад в массу даже чистого стехиометрического соединения может меняться. Этот вариант используется при радиометрическом датировании, поскольку астрономические , атмосферные , океанические , коровые и глубокоземные процессы могут преимущественно концентрировать некоторые изотопы окружающей среды . За исключением водорода и его изотопов, эффект обычно невелик, но его можно измерить современными приборами.
Многие природные полимеры различаются по составу (например , ДНК , белки , углеводы ), даже если они «чистые». Полимеры обычно не считаются «чистыми химическими соединениями», за исключением случаев, когда их молекулярная масса однородна (монодисперсна) и их стехиометрия постоянна. В этом необычном случае они все равно могут нарушать закон из-за изотопных вариаций.