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) и не зависит от его источника или способа приготовления. Например, кислород составляет около 8/9 массы любого образца чистой воды, в то время как водород составляет оставшуюся 1/9 массы : массы двух элементов в соединении всегда находятся в одном и том же соотношении. Наряду с законом кратных пропорций , закон определенных пропорций составляет основу стехиометрии . [1]
Закон определенной пропорции был дан Жозефом Прустом в испанском городе Сеговия в 1797 году. [2] Это наблюдение было впервые сделано английским теологом и химиком Джозефом Пристли и Антуаном Лавуазье , французским дворянином и химиком, сосредоточенным на процессе горения. Вот как Пруст сформулировал закон в 1794 году. [3]
Я заключу, выведя из этих экспериментов принцип, который я установил в начале этого мемуара, а именно, что железо, как и многие другие металлы, подчиняется закону природы, который главенствует при каждом истинном соединении, то есть, что оно соединяется с двумя постоянными пропорциями кислорода. В этом отношении оно не отличается от олова, ртути и свинца, и, одним словом, почти от каждого известного горючего.
- Жозеф Л. Пруст, Исследования на голубом пруссе, Journal de Physique...
Закон определенных пропорций может показаться очевидным для современного химика, заложенным в самом определении химического соединения. Однако в конце XVIII века, когда концепция химического соединения еще не была полностью разработана, этот закон был новым. Фактически, когда он был впервые предложен, это было спорное утверждение, и против него выступили другие химики, в частности, коллега Пруста француз Клод Луи Бертолле , который утверждал, что элементы могут соединяться в любой пропорции. [4] Существование этого спора показывает, что в то время различие между чистыми химическими соединениями и смесями еще не было полностью разработано. [5]
Закон определенных пропорций внес вклад и был положен на прочную теоретическую основу атомной теории , которую Джон Дальтон продвигал с 1803 года. Она объясняла материю как состоящую из дискретных атомов , что для каждого элемента существует один тип атома и что соединения состоят из комбинаций различных типов атомов в фиксированных пропорциях. [6]
Схожая ранняя идея была гипотезой Праута , сформулированной английским химиком Уильямом Праутом , который предположил, что атом водорода является фундаментальной атомной единицей. Из этой гипотезы было выведено правило целых чисел , которое было эмпирическим правилом, согласно которому атомные массы были целыми числами, кратными массе водорода. Позднее это было отвергнуто в 1820-х и 30-х годах после более точных измерений атомной массы, в частности Йенсом Якобом Берцелиусом , которые показали, в частности, что атомная масса хлора составляла 35,45, что было несовместимо с гипотезой. С 1920-х годов это несоответствие объяснялось наличием изотопов; атомная масса любого изотопа очень близка к удовлетворению правила целых чисел, [7] при этом дефект массы, вызванный различными энергиями связи, был значительно меньше.
Хотя закон определенных пропорций очень полезен в основе современной химии, он не является универсально верным. Существуют нестехиометрические соединения , элементный состав которых может меняться от образца к образцу. Такие соединения следуют 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, содержит где-то от 23% до 25% кислорода по массе. Идеальная формула — FeO, но из-за кристаллографических вакансий она составляет около Fe0,95O . В целом, измерения Пруста были недостаточно точными, чтобы обнаружить такие изменения.
Кроме того, изотопный состав элемента может меняться в зависимости от его источника, поэтому его вклад в массу даже чистого стехиометрического соединения может меняться. Эта вариация используется в радиометрическом датировании , поскольку астрономические , атмосферные , океанические , корковые и глубинные процессы Земли могут концентрировать некоторые изотопы окружающей среды преимущественно. За исключением водорода и его изотопов, эффект обычно невелик, но его можно измерить с помощью современных приборов.
Многие природные полимеры различаются по составу (например, ДНК , белки , углеводы ), даже когда они «чистые». Полимеры, как правило, не считаются «чистыми химическими соединениями», за исключением случаев, когда их молекулярная масса однородна (монодисперсна), а их стехиометрия постоянна. В этом необычном случае они все равно могут нарушать закон из-за изотопных изменений.