Жозеф Луи Пруст

На крајот од 18 и почетокот на 19 век, хемијата претрпуваше драматична метаморфоза. Со трудовите на Антоан Лавоазје, мерењето на масата стана примарен инструмент за разбирање на хемиските трансформации. Сепак, и покрај прифаќањето на Законот за зачувување на масата, во научната заедница постоеше фундаментална празнина: дали составот на едно хемиско соединение е фиксен и непредвидливо диктиран од природата, или тој зависи од условите под кои тоа соединение е добиено?

Францускиот хемичар Жозеф-Луи Пруст (Joseph-Louis Proust, 1754–1826) го даде конечниот одговор на ова прашање. Неговото научно дело не само што докажа дека чистите хемиски соединенија имаат непроменлив квалитативен и квантитативен состав, туку го постави математичкиот и експерименталниот темел врз кој Џон Далтон ја изгради својата атомска теорија.

Пруст е роден во Анже, Франција, во семејство на аптекар. Неговото рано образование во татковата аптека му овозможило прецизни занаетчиски вештини за пречистување, кристализација и дестилација на супстанци. По студиите во Париз, тој брзо стекнал репутација на исклучителен аналитички хемичар.

Неговиот најпродуктивен научен период, сепак, не се одвивал во Париз, туку во Шпанија. Кралот Карлос IV, воодушевен од неговите знаења, му овозможил да раководи со кралската лабораторија во Мадрид - еден од најмодерните и најскапите истражувачки центри во тогашна Европа. Токму таму, благодарение на пристапот до скапоцени аналитички ваги и чисти минерални примероци од целата Шпанска Империја, Пруст ги спровел епохалните експерименти.

Во 1794 година, врз основа на неколкугодишни анализи, Пруст ја формулираше фундаменталната хипотеза која подоцна (во 1808 година) беше комплетно ратификувана и прифатена како закон:

Закон за дефинитни масени односи:

Секое чисто хемиско соединение секогаш ги содржи истите елементи сплотени во точна и непроменлива масена пропорција, без оглед на неговото потекло, начин на добивање или геолошка старост.

Математичка формулација

Ако едно чисто соединение C се состои од елементите A и B, тогаш односот на нивните маси m(A) и m(B) е константен:

Односно, масениот удел (ω) на секој поединечен елемент во соединението е константна вредност:

За да го потврди својот закон, Пруст спроведувал систематски споредбени анализи на соединенија добиени во лабораторија и минерални примероци од природата.

Пруст особено се занимавал со соединенијата на бакарот, споредувајќи природни минерали со лабораториски добиени примероци.

Важно е да се нагласи дека малахитот, еден од најпознатите природни основни бакарни карбонати, има формула:

Cu₂CO₃(OH)₂

Без оглед дали примерокот потекнувал од рудник во Перу или од лабораториски сад во Мадрид, Пруст утврдил дека масените удели на бакар, јаглерод и кислород се секогаш идентични:

≈  51,5 % бакар (Cu)

 ≈ 9,7 % јаглерод (C)

≈  38,8 % кислород (O)

Неговата константна хемиска композиција била еден од примерите што помогнале во развојот и потврдувањето на идејата дека чистите соединенија имаат определен и постојан состав.

Бакар(II) оксид може да се добие со оксидација на бакар при загревање во присуство на кислород:

2Cu(s) + O₂(g) → 2CuO(s)

Може да се добие и со термичко разложување на бакар(II) нитрат:

2Cu(NO₃)₂(s) → 2CuO(s) + 4NO₂(g) + O₂(g)

Во двата случаи се добива истиот црн цврст продукт - бакар(II) оксид, CuO.

Во него односот на масите на бакарот и кислородот е константен:

m(Cu) / m(O) ≈ 63,55 / 16,00 ≈ 3,97

Без оглед на начинот на кој е добиено соединението, неговиот хемиски состав останува ист.

Една од најзначајните научни дебати во раната историја на модерната хемија била онаа меѓу Жозеф-Луи Пруст (Joseph-Louis Proust) и Клод Луи Бертоле (Claude Louis Berthollet).

Бертоле сметал дека составот на одредени хемиски супстанци може да варира во зависност од условите под кои се формираат. Како примери ги наведувал легурите, стаклото, растворите и некои метални соединенија, кај кои односот на компонентите може да се менува.

Пруст со низа прецизни експерименти се обидувал да покаже дека вистинските хемиски соединенија имаат строго определен состав. Според него, дел од примерите што Бертоле ги наведувал како соединенија со променлив состав всушност биле смеси или супстанци што треба да се разликуваат од вистинските стехиометриски соединенија.

Пруст особено инсистирал на јасна граница меѓу смесата и хемиското соединение.

Ако еден метал образува повеќе различни оксиди, на пример FeO и Fe₂O₃, тие не се различни состави на едно исто соединение, туку две различни хемиски соединенија, од кои секое има свој определен состав.

Најплодниот период од работата на Пруст во Шпанија бил прекинат поради Наполеоновата инвазија. За време на воените настани во Мадрид, неговата лабораторија била ограбена и уништена. Биле изгубени лабораториски инструменти, аналитички ваги, материјали и делови од неговата збирка. Со уништувањето на лабораторијата, Пруст практично го изгубил својот истражувачки центар.

Во услови на британската поморска блокада и недостиг на шеќер од колониите, Наполеон покажал интерес за истражувањата поврзани со производство на шеќер од растителни извори. Пруст бил поврзуван со истражувањата на глукозата и можностите за производство на шеќер од грозје и други растителни суровини. Во тој период француската држава вложувала значителни средства во развојот на алтернативно производство на шеќер.

Иако дебатата меѓу Пруст и Бертоле била жестока и траела со години, научното несогласување не прераснало во лична омраза. Овој пример покажува дека големите научни спорови можат да бидат остри во идеите, но сепак да останат во рамките на научната расправа.

Современата хемија на цврстата состојба покажала дека прашањето е посложено отколку што изгледало во времето на Пруст и Бертоле.

Класичните стехиометриски соединенија имаат строго определен однос на атомите.

Примери:

H₂O
CO₂
NaCl
CuSO₄

Меѓутоа, кај некои цврсти супстанци составот може да отстапува од идеалната стехиометрија поради дефекти во кристалната решетка. Таквите супстанци се познати како нестехиометриски соединенија или бертолиди.

Еден познат пример е железниот(II) оксид:

Fe₁₋ₓO

Кај него вредноста на x може да варира, па реалниот состав не мора секогаш да одговара на идеалната формула FeO. Токму овие соединенија покажуваат дека природата понекогаш е посложена од едноставната слика за „фиксниот“ состав.

Законот за дефинирани пропорции на Пруст претставува еден од темелите на квантитативната хемија. Со прецизни мерења и анализи, Пруст покажал дека чистите хемиски соединенија не се случајни комбинации на елементи. Тие имаат определен состав и карактеристичен однос меѓу составните елементи. Оваа идеја била од огромно значење за развојот на атомската теорија на Џон Далтон и за постепеното преминување на хемијата од описна наука кон наука заснована врз мерење, бројки и математички односи.

Пруст покажал нешто што денес ни изгледа очигледно, но во неговото време било револуционерно:

Природата не ги комбинира елементите произволно.

Во секој кристал, во секоја молекула и во секоја капка чисто соединение постои определен хемиски ред.