La llei de proporcions múltiples és una de les lleis ponderals de la química que exerceix un paper essencial en la comprensió de com els elements es combinen per formar compostos químics. A més, és una de les lleis fonamentals de l'estequiometria, una branca de la química que s'ocupa de les relacions quantitatives entre els reactants i els productes en una reacció química.
La llei, que també es coneix com a llei de Dalton, estableix que si dos elements químics formen més d'un compost, la proporció de la massa del segon element que es combinen amb una massa fixa del primer element sempre seran proporcions de nombres enters senzills.
El químic britànic John Dalton va expressar la llei de les proporcions múltiples a principis del segle XIX, el 1803, i es va basar en l'observació que els elements es combinen en proporcions fixes i simples per formar compostos. Per aquesta raó, també es coneix la llei com a llei de Dalton o llei de les proporcions múltiples de Dalto.
La formulació de la llei de les proporcions múltiples
La llei de Dalton estableix que quan dos elements es combinen per formar més d'un compost, les masses d'un element que es combinen amb una massa fixa de l'altre estan en una relació de nombres enters petits.
En altres paraules, els compostos es formen en proporcions simples i fixes.
Exemple il·lustratiu: compostos d'oxigen i nitrogen
Prenguem l'exemple dels compostos d'oxigen i nitrogen.
Quan l'oxigen es combina amb el nitrogen per formar òxids, les masses d'oxigen que es combinen amb una massa fixa de nitrogen estan en una relació de nombres enters petits.
Per exemple, l'òxid nitrós (N₂O) està compost per dos àtoms de nitrogen i un àtom d'oxigen, mentre que l'òxid nítric (NO) està compost per un àtom de nitrogen i un àtom d'oxigen.
Les masses d'oxigen que es combinen en aquests compostos segueixen una relació simple de 1:2 complint la llei de les proporcions múltiples de Dalton.
Història i antecedents
Abans de la formulació de la llei, els químics tenien una comprensió limitada de com els elements es combinaven per formar compostos.
Sovint es creia que les substàncies es combinaven en proporcions arbitràries i no necessàriament fixes. Tot i això, a mesura que la química experimental avançava, s'acumulaven evidències que aquesta suposició era incorrecta.
Un dels experiments que va portar a la formulació de la llei de les proporcions múltiples es va fer amb oxigen i nitrogen. Henry Cavendish, un químic britànic del segle XVIII, va descobrir que l'aire estava compost majoritàriament per nitrogen i oxigen, però les proporcions no eren fixes. Tot i això, Dalton, al segle XIX, va observar que, quan el nitrogen i l'oxigen es combinaven per formar diferents òxids, sempre ho feien en proporcions fixes i simples.
Precedents: lleis de les proporcions definides i de la conservació de la massa
Uns anys abans, el químic francès Joseph Proust havia presentat la llei de les proporcions definides. La llei de les proporcions definides postulava que els elements es combinen per formar compostos en proporcions específiques i constants, expressades mitjançant relacions de nombres enters.
En els treballs de Proust, però, es va produir un fenomen que va passar desapercebut per a ell: l'existència d'elements químics que podien combinar-se en diferents proporcions per formar diferents compostos químics. Aquest fenomen va captar latenció de Dalton en les seves investigacions.
Posteriorment, Antoine Lavoisier va demostrar la Llei de la Conservació de la Massa, cosa que també va contribuir al treball de Dalton.
Relació amb el model atòmic de Dalton
La llei de les proporcions múltiples, formulada per John Dalton, i el seu model atòmic estan íntimament relacionats amb la història de la química.
La llei estableix que quan dos elements es combinen per formar diferents compostos, ho fan en proporcions fixes i simples, amb relacions de nombres enters petits. Això va proporcionar proves sòlides per al model atòmic de Dalton, que postulava que la matèria estava formada per àtoms indivisibles i que aquests àtoms es combinaven en proporcions específiques per formar compostos químics.
La llei de Dalton va donar suport a la idea que els àtoms d'elements diferents tenien masses diferents i es combinaven amb proporcions definides.
Importància de la llei de Dalton
La llei de les proporcions múltiples és molt important en la química, ja que proporciona una base sòlida per comprendre com els elements es combinen per formar compostos i com es relacionen les masses dels elements en aquestes combinacions.
Algunes de les raons per les quals aquesta llei és fonamental són les següents:
- Confirmació de la teoria atòmica: proporciona evidència sòlida a favor de la teoria atòmica proposada per Dalton, com hem esmentat anteriorment.
- Predicció de l'estequiometria dels compostos Aquesta llei permet als químics predir l'estequiometria dels compostos químics, és a dir, la relació quantitativa entre els elements en un compost.
- Desenvolupament de la taula periòdica: la llei de les proporcions múltiples va contribuir al desenvolupament de la taula periòdica dels elements, que organitza els elements en funció de les propietats químiques i el comportament en la formació de compostos.
- Fonamental per a la química quantitativa: L'estequiometria és fonamental en la química quantitativa, que s'ocupa dels mesuraments precisos i les relacions quantitatives en les reaccions químiques. La llei de Dalton és part essencial d'aquesta disciplina.
Exemples pràctics
A continuació, es presenten alguns exemples que il·lustren aquesta llei:
Diòxid de carboni (CO₂) i monòxid de carboni (CO)
Quan el carboni es combina amb oxigen, pot formar tant diòxid de carboni com a monòxid de carboni.
Al diòxid de carboni, un àtom de carboni es combina amb dos àtoms d'oxigen, mentre que al monòxid de carboni, un àtom de carboni es combina amb un àtom d'oxigen.
Les masses d'oxigen es combinen en una relació de 1:2, complint així la llei de les proporcions múltiples.
Òxids de nitrogen (NO, N₂O, NO₂)
Els òxids de nitrogen són un exemple clàssic de laplicació daquesta llei. En aquests compostos, les masses d'oxigen que es combinen amb una massa fixa de nitrogen segueixen relacions de nombres enters petits, com ara 1:1, 1:2 i 1:3.
Òxids de sofre (SO₂, SO₃)
El sofre es pot combinar amb oxigen per formar diòxid de sofre (SO₂) i triòxid de sofre (SO₃).
Al diòxid de sofre, un àtom de sofre es combina amb dos àtoms d'oxigen, mentre que al triòxid de sofre, un àtom de sofre es combina amb tres àtoms d'oxigen. Novament, les masses d'oxigen segueixen relacions de nombres enters petits, complint la llei de les proporcions múltiples de Dalton.
Aplicacions actuals de la llei
Actualment, aquesta llei continua sent rellevant a la química moderna i té importants aplicacions en diverses àrees:
- Síntesi química: Els químics utilitzen aquesta llei per dissenyar i optimitzar processos de síntesi de compostos químics, assegurant que les proporcions dels reactants siguin les adequades per obtenir els productes desitjats.
- Anàlisi química: En anàlisi química quantitativa, aquesta llei s'empra per determinar la concentració d'una substància en una mostra, basant-se en la relació de masses entre els elements presents.
- Indústria farmacèutica: La síntesi de fàrmacs i productes químics a la indústria farmacèutica es basa en gran mesura en l'aplicació de la llei de les proporcions múltiples per garantir la puresa i eficàcia dels productes.
- Ciència de materials: En la fabricació de materials i nanomaterials, aquesta llei és essencial per controlar les proporcions dels components i assolir les propietats desitjades.
- Investigació mediambiental: En estudis mediambientals, la llei de Dalton s'utilitza per analitzar la composició química de mostres i comprendre la distribució d'elements a la natura.
