В химии закон множественных пропорций гласит, что в соединениях, которые содержат два конкретных химических элемента, количество элемента А на меру элемента B будет различаться в этих соединениях на соотношения небольших целых чисел. Например, соотношение содержания водорода в метане (CH 4 ) и этане (C 2 H 6 ) на меру углерода составляет 4:3. Этот закон также известен как закон Дальтона , названный в честь Джона Дальтона , химика, который первым его сформулировал. Открытие этой закономерности побудило Дальтона разработать современную теорию атомов , поскольку она предположила, что элементы соединяются друг с другом в количествах, кратных основному количеству.
Закон кратных пропорций часто не применяется при сравнении очень больших молекул. Например, если попытаться продемонстрировать это, используя углеводороды декан (химическая формула C 10 H 22 ) и ундекан (C 11 H 24 ), можно было бы обнаружить, что 100 граммов углерода могут вступить в реакцию с 18,46 граммами водорода с образованием декана или 18,31 грамма водорода дают ундекан при соотношении масс водорода 121:120, что вряд ли можно назвать соотношением «малых» целых чисел.
В 1804 году Дальтон объяснил свою атомную теорию своему другу и коллеге-химику Томасу Томсону , который опубликовал объяснение теории Дальтона в своей книге « Система химии» в 1807 году. По словам Томсона, идея Дальтона впервые пришла ему в голову во время экспериментов с «олефиантным газом». ( этилен ) и «карбюраторный водород» ( метан ). Дальтон обнаружил, что «карбюраторный газообразный водород» содержит в два раза больше водорода на меру углерода, чем «олефиантный газ», и пришел к выводу, что молекула «карбюраторного газообразного водорода» состоит из одного атома углерода и одного атома водорода, а молекула «карбюраторного газообразного водорода» "-один атом углерода и два атома водорода. [1] В действительности молекула этилена имеет два атома углерода и четыре атома водорода (C 2 H 4 ), а молекула метана — один атом углерода и четыре атома водорода (CH 4 ). В данном конкретном случае Дальтон ошибся в формулах этих соединений, и это была не единственная его ошибка. Но в других случаях он правильно понял их формулы. Следующие примеры взяты из собственных книг Дальтона «Новая система химической философии» (в двух томах, 1808 и 1817 гг.):
Пример 1 — оксиды олова: Дальтон выделил два типа оксида олова . Один из них представляет собой серый порошок, который Дальтон назвал «закисью олова», который на 88,1% состоит из олова и на 11,9% из кислорода . Другой представляет собой белый порошок, который Дальтон назвал «деоксидом олова», который состоит из 78,7% олова и 21,3% кислорода. Поправляя эти цифры, в сером порошке на каждые 100 г олова приходится около 13,5 г кислорода, а в белом порошке — около 27 г кислорода на каждые 100 г олова. 13,5 и 27 образуют соотношение 1:2. Эти соединения известны сегодня как оксид олова(II) (SnO) и оксид олова(IV) (SnO 2 ). В терминологии Дальтона «прооксид» — это молекула, содержащая один атом кислорода, а молекула «дейоксид» — два. [2] [3] Оксиды олова на самом деле представляют собой кристаллы, они не существуют в молекулярной форме.
Пример 2 — оксиды железа: Дальтон идентифицировал два оксида железа. Существует один тип оксида железа, представляющий собой черный порошок, который Дальтон назвал «прооксидом железа», который состоит из 78,1% железа и 21,9% кислорода. Другой оксид железа представляет собой красный порошок, который Дальтон назвал «промежуточным или красным оксидом железа», который состоит из 70,4% железа и 29,6% кислорода. Поправляя эти цифры, в черном порохе на каждые 100 г железа приходится около 28 г кислорода, а в красном порохе — около 42 г кислорода на каждые 100 г железа. 28 и 42 образуют соотношение 2:3. Этими соединениями являются оксид железа(II) (Fe 2 O 2 ) [a] и оксид железа(III) (Fe 2 O 3 ). [4] [5] Дальтон описал «промежуточный оксид» как «2 атома прооксида и 1 атома кислорода», что в сумме дает два атома железа и три атома кислорода. В среднем это составляет полтора атома кислорода на каждый атом железа, что ставит его на полпути между «закисью» и «деуоксидом». [6] Как и оксиды олова, оксиды железа представляют собой кристаллы.
Пример 3 — оксиды азота: Дальтону были известны три оксида азота: «закись азота», «азотистый газ» и «азотная кислота». [7] Эти соединения известны сегодня как закись азота , оксид азота и диоксид азота соответственно. «Закись азота» состоит из 63,3% азота и 36,7% кислорода, что означает, что на каждые 140 г азота приходится 80 г кислорода. «Азотистый газ» состоит из 44,05% азота и 55,95% кислорода, что означает, что на каждые 140 г азота приходится 160 г кислорода. «Азотная кислота» состоит из 29,5% азота и 70,5% кислорода, что означает, что на каждые 140 г азота приходится 320 г кислорода. 80 г, 160 г и 320 г составляют соотношение 1:2:4. Формулы этих соединений: N 2 O, NO и NO 2 . [8] [9]
Самое раннее определение наблюдения Дальтона появляется в химической энциклопедии 1807 года:
...когда два тела соединяются в разных пропорциях, если количество одного из них принять за фиксированное число, то пропорции другого тела, соединяющиеся с ним, находятся в простейшем возможном отношении друг к другу, образуясь путем умножения наименьшая доля определяется простым целым числом, например 2, 3, 4 и т. д. [...] во всех случаях простые элементы тел склонны соединять атом за атомом по отдельности; или, если какой-либо из них находится в избытке, он превышает соотношение, выражаемое некоторым простым кратным числу его атомов. [10]
Первым известным писателем, назвавшим этот принцип «доктриной множественных пропорций», был Йёнс Якоб Берцелиус в 1813 году. [11]
Атомная теория Дальтона вызвала широкий интерес, но не всеобщее признание вскоре после того, как он опубликовал ее, поскольку закон кратных пропорций сам по себе не был полным доказательством существования атомов. В течение XIX века другие открытия в области химии и физики придали атомной теории больше доверия, так что к концу XIX века она нашла всеобщее признание.