倍比定律
在化學上,倍比定律(Law of multiple proportions)和定比定律同為化學計量學的基本定律。倍比定律由英國化學家約翰·道爾頓(John Dalton)提出,為紀念約翰 道爾頓,故又名為道爾頓定律。
倍比定律內容:若兩元素可以生成兩種或以上的化合物時,在這些化合物中,一元素的質量固定,則另一元素的質量呈簡單整數比。
此定律說明了同一元素在不同的結合形式有兩種以上的化合量。舉例而言:一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)同是碳的氧化物。100克的碳和133克的氧反應以生成一氧化碳,和266克氧反應以生成二氧化碳。因此,可以和100克碳反應生成此二種碳氧化物的氧,其質量比是1:2(133:266),為簡單整數比。
道爾頓於1803年首次提出他觀察到的這個現象。在此之前幾年,法國化學家普勞斯特先提出了定比定律(Law of definite proportions),指出元素由一定比例構成特定化合物,即無論化合物如何製得,其組成元素間之質量比恆為定值。道爾頓以此為基礎提出倍比定律。這對於他之後提出的原子論有深遠的影響,並且奠定了後世使用化學式的基礎。
其實在化學史上,倍比定律的應用範圍極廣。
緣起與案例
[編輯]1804 年,道爾頓向他的朋友兼化學家托馬斯·湯姆森 [1](Thomas Thomson) 解釋了他的原子理論,托馬斯·湯姆森 (Thomas Thomson) 於 1807 年在他的著作《化學體系》中發表了對道爾頓理論的解釋。
根據湯姆森的說法,道爾頓的想法是在他實驗「烯烴氣體」時首次出現的。 」(乙烯)和「碳化氫氣」(甲烷)。 道爾頓發現「碳化氫氣」每單位碳的氫含量是「烯烴氣體」的兩倍,並得出結論,一分子「烯烴氣體」由一個碳原子和一個氫原子組成,一分子「碳化氫氣」 「 是一個碳原子和兩個氫原子。[1]
實際上,乙烯分子有兩個碳原子和四個氫原子(C2H4),甲烷分子有一個碳原子和四個氫原子(CH4)。 在這種特殊情況下,道爾頓錯誤地理解了這些化合物的分子式,而且這並不是他唯一的錯誤。 但在其他情況下,他的公式是正確的。 以下例子來自道爾頓自己的著作《化學哲學新體系》(分兩卷,1808 年和 1817 年):
示例 1 — 氧化錫:
道爾頓確定了兩種類型的氧化錫。 一種是灰色粉末,道爾頓稱之為「錫的原氧化物(一氧化錫)」,其中含有 88.1% 的錫和 11.9% 的氧。 另一種是白色粉末,道爾頓稱之為「錫的二氧化物(二氧化錫)」,其中含有78.7%的錫和21.3%的氧。 調整這些數字,在灰色粉末中,每100克「錫的原氧化物(一氧化錫)」約含有13.5克氧,在白色粉末中,每100克「錫的二氧化物(二氧化錫)」約含有27克氧。 13.5和27形成1:2的比例。 這些化合物現在被稱為氧化錫(II) (SnO) 和氧化錫(IV) (SnO2)。 在道爾頓的術語中,「原氧化物」是含有單個氧原子的分子,而「去氧化物」分子則有兩個氧原子。 氧化錫實際上是晶體,它們不以分子形式存在。
示例 2 — 鐵氧化物:
道爾頓鑑定了兩種鐵的氧化物。 有一種氧化鐵是一種黑色粉末,道爾頓將其稱為「鐵的氧化原」,其中含有 78.1% 的鐵和 21.9% 的氧。 另一種氧化鐵是紅色粉末,道爾頓將其稱為「鐵的中間體或紅色氧化物」,其中含有 70.4% 的鐵和 29.6% 的氧。 調整這些數字,在黑色粉末中,每100克鐵約含有28克氧,在紅色粉末中,每100克鐵約含有42克氧。 28和42形成2:3的比例。 這些化合物是氧化鐵(II) (Fe2O2)[a] 和氧化鐵(III) (Fe2O3)。[4][5] 道爾頓將「中間氧化物」描述為「2 個原氧化物原子和 1 個氧原子」,加起來就是兩個鐵原子和三個氧原子。 每個鐵原子平均有一個半氧原子,介於「原氧化物」和「氘氧化物」之間。 與氧化錫一樣,氧化鐵也是晶體。
示例 3 — 氮氧化物:
道爾頓知道三種氮氧化物:「一氧化二氮」、「亞氮氣體」和「硝酸」。 [7] 這些化合物如今分別被稱為一氧化二氮、一氧化氮和二氧化氮。 「一氧化二氮」由63.3%的氮氣和36.7%的氧氣組成,這意味着每140克氮氣含有80克氧氣。 「亞氮氣體」的成分為44.05%氮氣和55.95%氧氣,即每140克氮氣中含有160克氧氣。 「硝酸」含有29.5%的氮氣和70.5%的氧氣,這意味着每140克氮氣含有320克氧氣。 80克、160克、320克的比例為1:2:4。 這些化合物的分子式為 N2O、NO 和 NO2。
道爾頓觀察的最早定義出現在 1807 年的化學百科全書中:
當兩個物體以不同比例結合在一起時,如果將其中一個物體的數量假定為固定數字,則與其結合的另一個物體的比例彼此之間的比例為最簡單的比例,該比例是通過將最低比例乘以 一個簡單的整數,如 2、3、4 等。在所有情況下,物體的簡單元素都傾向於將原子與原子單獨結合在一起; 或者如果其中任何一個過量,則其超出的比率可以用其原子數的某個簡單倍數來表示。
道爾頓的原子理論在發表後不久就引起了廣泛的興趣,但並未得到普遍接受,因為倍比定律本身並不能完全證明原子的存在。 在 19 世紀的過程中,化學和物理領域的其他發現使原子理論更加可信,以至於到 19 世紀末它已得到普遍接受。
參考資料
[編輯]- ^ Thomas Thomson (chemist). Wikipedia. 2024-01-10 (英語).
參見
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