חוק ההרכב המוגדר
בכימיה, לפי חוק ההרכב המוגדר, הקרוי לעיתים חוק פרוסט, בתרכובת כימית מסוימת יישמר תמיד יחס קבוע בין מסת היסודות השונים. לדוגמה, חמצן מהווה כ-8/9 ממסת כל דגימה של מים טהורים, בעוד מימן מהווה את ה-1/9 הנותרת. יחד עם חוק היחסים המרובים (חוק דלטון), חוק ההרכב המוגדר מהווה את הבסיס לסטויכיומטריה, התחום העוסק בכמויות וריכוזי חומרים המשתתפים בתגובות כימיות.[1]
היסטוריה
הכימאי הצרפתי ז'וזף פרוסט הציע לראשונה את החוק בעקבות ניסויים שערך בין השנים 1798 ו-1804,[2] כפי שניסח ב-1806:
אסכם את הניסויים הללו בהסקת העיקרון אותו ניסחתי בפתיחת זכרונות אלה, דהיינו, כי ברזל, כמו מתכות רבות אחרות, כפוף לחוק טבע התקף בכל שילוב אפשרי; רוצה לומר, שהוא מתאחד עם חמצן בשני יחסים קבועים. במובן זה הוא אינו שונה מבדיל, כספית ועופרת, וכמו כן כמעט כל חומר דליק ידוע.
חוק ההרכב המוגדר עשוי להיראות מובן מאליו לכימאי המודרני, כיוון שהוא מהווה את הבסיס להגדרת התרכובת הכימית. בשלהי המאה ה-18, עם זאת, רעיון התרכובת הכימית לא פותח דיו, וחוק זה היווה חידוש של ממש. למעשה, כאשר הוצע לראשונה היה שנוי במחלוקת ורבים התנגדו לו, ביניהם עמיתו הצרפתי של פרוסט, קלוד לואי ברטולייה, שטען כי ניתן לשלב יסודות בכל יחס.[3] קיומו של דיון זה מראה כי באותה עת ההבחנה בין תרכובת לתערובת לא הובנה לגמרי.[4]
חוק ההרכב המוגדר השתלב היטב עם התורה האטומית שג'ון דלטון החל לקדם ב-1803, והסבירה כי החומר מורכב מאטומים בודדים, קיים סוג אטום אחד לכל יסוד, והתרכובות עשויות משילובים של סוגי אטומים שונים ביחסים מוגדרים.[3] רעיון מוקדם אחר, הקשור לנושא, הוא השערת פרוט, של הכימאי האנגלי ויליאם פרוט, לפיה אטום המימן הוא היחידה האטומית הבסיסית. מהשערה זו נגזר כלל המספר השלם, לפיו המסות האטומיות הן מכפלות שלמות של מסת אטום המימן. כלל זה נדחה בשנות ה-20 וה-30 של המאה ה-19, לאחר מדידות מדויקות יותר של מסה אטומית, בפרט על ידי ינס יאקוב ברצליוס. בין השאר, מצא ברצליוס כי המסה האטומית של כלור היא פי 35.45 ממסת אטום המימן, עובדה הסותרת את כלל המספר השלם. בשנות ה-20 של המאה ה-20 הוסברה סתירה זו בקיומם של איזוטופים; המסה האטומית של כל איזוטופ נפרד קרובה מאד למספר שלם, בהתאם לכלל. בטבע, יסודות רבים, בהם כלור, מופיעים כתערובת של מספר איזוטופים (במשקלים 35 ו-37, עבור כלור), ולכן המסה הנמדדת היא למעשה ממוצע של האיזוטופים השונים.[5]
תרכובות לא-סטויכיומטריות
אמנם חוק ההרכב המוגדר היה שימושי מאד ביסוד הכימיה המודרנית, אך הוא אינו תקף לכל מקרה. קיימות תרכובות לא-סטויכיומטריות בהן הרכב היסודות משתנה מדגימה לדגימה. לדוגמה, בתחמוצת ברזל מסוג wüstite מצויים בין 0.83 ל-0.95 אטומי ברזל לכל אטום חמצן, ועל כן בין 23% ל-25% חמצן לפי מסה. הנוסחה האידאלית לתרכובת זו היא FeO, אולם אתרים פנויים בגביש מפחיתים את היחס לפחות מ-1 ל-1. באופן כללי, המדידות שביצע פרוסט לא היו מדויקות דיין כדי לגלות סטיות מסוג זה.
כמו כן, ההרכב האיזוטופי של יסוד יכול להשתנות לפי מקורו, וכך תרומת יסוד מסוים למסת תרכובת עשויה להשתנות מדגימה לדגימה. עובדה זו מסייעת, לדוגמה, לזיהוי מקורם של חפצים הנמצאים בחפירות ארכאולוגיות - ההרכב האיזוטופי של מתכת בכלי זכוכית, לדוגמה, יכול להצביע על מקור חומרי הגלם ששימשו לייצורו.
הערות שוליים
- ^ Zumdahl, S. S. “Chemistry” Heath, 1986: Lexington, MA. מסת"ב 0-669--04529-2.
- ^ For example: Proust, J.-L. (1799). Researches on copper, Ann. chim., 32:26-54. Excerpt, in Henry M. Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry, 1400-1900, Cambridge, MA: Harvard, 1952. Accessed 2014-04-19.
- ^ 3.0 3.1 Dalton, J. (1808). A New System of Chemical Philosophy, volume 1, Manchester. Excerpt. Accessed 2014-04-19.
- ^ לדברי פרוסט, המונח "תרכובת" תקף רק לגבי חומרים בעלי יחסים קבועים: Proust, J.-L. (1806). Sur les mines de cobalt, nickel et autres, Journal de Physique, 63:566-8. Excerpt, from Maurice Crosland, ed., The Science of Matter: a Historical Survey, Harmondsworth, UK: Penguin, 1971. Accessed 2014-04-20.
- ^ Gamow, George (1987). One Two Three... Infinity: Facts and Speculations of Science (Bantam Science and Mathematics ed.). Bantam. pp. 149–150.