قانون نسبت‌های معین، به همراه قانون نسبت‌های چندگانه، پایه‌های اصلی مطالعه استوکیومتری در شیمی را تشکیل می‌دهند. این قانون که با نام‌های قانون پروست یا قانون ترکیب ثابت نیز شناخته می‌شود، بیان می‌کند که یک ترکیب شیمیایی همواره دارای عناصر یکسان با نسبت جرمی ثابت است.

نکات کلیدی

• قانون نسبت‌های معین به این معناست که یک ترکیب همواره از عناصر یکسان با نسبت جرمی یکسان تشکیل شده است.
• ژوزف پروست کشف کرد که عناصر با نسبت‌های جرمی ثابت ترکیب می‌شوند و این کشف، مبنای استوکیومتری را بنا نهاد.
• ترکیبات غیر استوکیومتری و تغییرات در ترکیبات ایزوتوپی از جمله استثنائات این قانون هستند.

تعریف قانون نسبت‌های معین

قانون نسبت‌های معین بیان می‌کند که نمونه‌های یک ترکیب شیمیایی، همواره دارای نسبت یکسانی از عناصر بر اساس جرم هستند. نسبت جرمی عناصر، صرف نظر از منشا آن‌ها، نحوه تهیه ترکیب یا هر عامل دیگری، ثابت است. اساساً، این قانون بر این واقعیت استوار است که یک اتم از یک عنصر خاص، با هر اتم دیگر از همان عنصر یکسانی دارد. بنابراین، یک اتم اکسیژن، صرف نظر از اینکه از سیلیس یا اکسیژن موجود در هوا به دست آمده باشد، یکسان است.

قانون ترکیب ثابت، قانونی معادل است که بیان می‌کند هر نمونه از یک ترکیب، دارای ترکیب یکسانی از عناصر بر اساس جرم است.

مثالی از قانون نسبت‌های معین

بر اساس قانون نسبت‌های معین، آب همواره حاوی 1/9 هیدروژن و 8/9 اکسیژن از نظر جرمی است.

سدیم و کلر در نمک طعام (NaCl) طبق این قانون با هم ترکیب می‌شوند. وزن اتمی سدیم تقریباً 23 و وزن اتمی کلر تقریباً 35 است. بنابراین، با استناد به این قانون، می‌توان نتیجه گرفت که تجزیه 58 گرم NaCl حدود 23 گرم سدیم و 35 گرم کلر تولید می‌کند.

تاریخچه قانون نسبت‌های معین

اگرچه قانون نسبت‌های معین ممکن است برای یک شیمیدان امروزی بدیهی به نظر برسد، اما نحوه ترکیب عناصر در روزهای ابتدایی علم شیمی تا اواخر قرن هجدهم آشکار نبود. شیمیدان فرانسوی، ژوزف پروست (1826-1754) به عنوان کاشف این قانون شناخته می‌شود، اما شیمیدان و الهی‌دان انگلیسی، جوزف پریستلی (1804-1783) و شیمیدان فرانسوی، آنتوان لاووازیه (1794-1771) اولین کسانی بودند که این قانون را به عنوان یک پیشنهاد علمی در سال 1794، بر اساس مطالعه احتراق، منتشر کردند. آنها متوجه شدند که فلزات همیشه با دو نسبت از اکسیژن ترکیب می‌شوند. همانطور که امروزه می‌دانیم، اکسیژن موجود در هوا گازی است که از دو اتم (O2) تشکیل شده است.

این قانون پس از ارائه، با مخالفت‌های شدیدی روبرو شد. شیمیدان فرانسوی، کلود لویی برتوله (1822-1748) یکی از مخالفان بود و استدلال می‌کرد که عناصر می‌توانند با هر نسبتی ترکیب شوند تا ترکیبات را تشکیل دهند. تا زمانی که نظریه اتمی جان دالتون (1844-1766)، شیمیدان انگلیسی، ماهیت اتم‌ها را توضیح نداد، قانون نسبت‌های معین پذیرفته نشد.

استثنائات قانون نسبت‌های معین

اگرچه قانون نسبت‌های معین در شیمی بسیار کاربردی است، اما استثنائاتی نیز برای آن وجود دارد. برخی از ترکیبات، ماهیت غیر استوکیومتری دارند، به این معنی که ترکیب عنصری آن‌ها از یک نمونه به نمونه دیگر متفاوت است. به عنوان مثال، ووستیت نوعی اکسید آهن است که ترکیب عنصری آن بین 0.83 تا 0.95 اتم آهن برای هر اتم اکسیژن (23 تا 25 درصد اکسیژن از نظر جرم) متغیر است. فرمول ایده‌آل برای اکسید آهن FeO است، اما ساختار کریستالی آن به گونه‌ای است که تغییراتی در آن وجود دارد. فرمول ووستیت به صورت Fe0.95O نوشته می‌شود.

همچنین، ترکیب ایزوتوپی یک نمونه عنصر با توجه به منبع آن متفاوت است. این بدان معناست که جرم یک ترکیب استوکیومتری خالص، بسته به منشا آن، کمی متفاوت خواهد بود.

پلیمرها نیز از نظر ترکیب عنصری بر اساس جرم متفاوت هستند، اگرچه به معنای دقیق شیمیایی، ترکیبات شیمیایی واقعی در نظر گرفته نمی‌شوند.