Das Gesetz von den konstanten Proportionen

Die Geschichte des Gesetzes von den konstanten Proportionen

Die Vorgeschichte

Seit mindestens der Antike beschäftigt sich der Mensch mit der Zusammensetzung der uns umgebenden Stoffe.

Schon im 11. Jahrhundert, im damaligen Andalusien, wurde im Buch Der Rang der Weisen (arab. Rutbat al-Hakim) ein Experiment zur Herstellung von Quecksilberoxid beschrieben und die Beobachtung festgehalten, dass die Masse des nach der Reaktion erhaltenen Produkts der Summe der Massen der eingesetzten Stoffe entspricht.

1789 formulierte dann der französische Chemiker Lavoisier das Massenerhaltungsgesetz in seinem Hauptwerk Grundlegende Abhandlung der Chemie (frz. Traitè Élementaire de Chimie).

Das Massenerhaltungsgesetz sagt aus, dass während einer chemischen Reaktion kein Stoff verloren geht oder verbraucht wird. Allerdings wurden bisher noch keine Aussagen über die eigentliche Zusammensetzung der einzelnen chemischen Verbindungen getroffen.

Der Chemiker Proust, sein Experiment und die Entdeckung

Der im Jahr 1754 geborene französische Chemiker Joseph Louis Proust widmete sich nach seiner Ausbildung zum Apotheker der Analytik von chemischen Verbindungen. Ihn interessierte besonders die Zusammensetzung der Stoffe.

In den Jahren 1797 bis 1809 untersuchte er verschiedene Stoffe auf ihre Bestandteile und notierte die Massenanteile der in den Verbindungen enthaltenen Elemente.

Zu den untersuchten Stoffen gehörten verschiedene Eisensulfid- und Zinnoxidverbindungen, die er anhand ihrer optischen Eigenschaften wie Farbe und Beschaffenheit unterscheiden konnte, sowie Kupfercarbonat.

Zuerst stellte Proust das Kupfercarbonat selbst her, indem er ungefähr $\pu{45 kg}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$ mit Kaliumcarbonat $\ce{(K2CO3)}$ zur Reaktion brachte. Aus der Reaktion erhielt er ungefähr $\pu{82 kg}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$.

Dann untersuchte Proust natürlich vorkommendes Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$. Nach der Destillation und Reduktion von ungefähr $\pu{82 kg}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ erhielt er ungefähr $\pu{45 kg}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$ zurück.

Er wiederholte die Experimente mehrmals. Dabei erhielt er immer wieder die gleichen Ergebnisse:

Man kann zusammenfassen, dass ungefähr $\pu{82 kg}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ immer ungefähr $\pu{45 kg}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$ enthalten.

Das Gesetz der konstanten Proportionen

Die Formulierung des Gesetzes

Aus den Ergebnissen seiner Experimente schlussfolgerte Proust dann im Jahr 1799, dass in einer Verbindung die Anteile der chemischen Elemente immer gleich sein müssen.

Mit genaueren Messmethoden und Experimenten erhält man für Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ die in der Tabelle gelisteten prozentualen Massenanteile für Kupfer $\ce{(Cu)}$, Kohlenstoff $\ce{(C)}$ und Sauerstoff $\ce{(O)}$.

In $\pu{1 000 g}$ Kupfercarbonat $\ce{(CuCO3)}$ sind also ungefähr $\pu{510 g}$ Kupfer $\ce{(Cu)}$, $\pu{100 g}$ Kohlenstoff $\ce{(C)}$ und $\pu{390 g}$ Sauerstoff $\ce{(O)}$ enthalten.

Aus diesen gemessenen Massen kannst du nun mithilfe der Atommassen die Summenformel für Kupfercarbonat aufstellen.

Bilde dazu jeweils den Quotienten aus der gemessenen Masse durch die Atommasse.

Das Verhältnis der Atomanzahl von Kupfer zu Kohlenstoff zu Sauerstoff beträgt also $\ce{Cu : C : O = 8 : 8 : 24}$. Wenn du das Verhältnis durch ${8}$ teilst, dann erhältst du $\ce{Cu : C : O = 1 : 1 : 3}$. Das untersuchte Kupfercarbonat besteht also aus einem Atom Kupfer, einem Atom Kohlenstoff und drei Atomen Sauerstoff.

Die Summenformel für Kupfercarbonat lautet somit $\ce{CuCO3}$.

Die Proportionen, also das Verhältnis der Massen, von Kupfer zu Kohlenstoff und zu Sauerstoff ist in der Verbindung $\ce{CuCO3}$ immer gleich, also konstant. Daher heißt das Gesetz Gesetz von den konstanten Proportionen.

Auch das Verhältnis der Atomanzahl in einer Verbindung bleibt konstant.

Mit der Formulierung des Gesetzes von den konstanten Proportionen wurde der Grundstein für die Stöchiometrie gelegt.

Mischungen

Der französische Chemiker Claude-Louis Berthollet allerdings widersprach Proust, da er in seinen Experimenten verschiedene Ergebnisse erhielt und so nicht das Gesetz von den konstanten Proportionen bestätigen konnte.

Proust wiederum antwortete auf die Bedenken von Berthollet damit, dass die von Berthollet untersuchten Proben Mischungen verschiedener Verbindungen der gleichen Elemente seien.

Das Eisensulfid zum Beispiel kommt in zwei verschiedenen Formen vor. Proust nannte sie zunächst Eisensulfid I und Eisensulfid II. Die Massenverhältnisse von Eisen zu Schwefel im Eisensulfid I und im Eisensulfid II sind jedoch jeweils immer gleich.

Aus Experimenten erhält man die in der Tabelle gelisteten prozentualen Massenanteile.

In der Tabelle stehen die Ergebnisse für $\pu{1 000 g}$ Eisensulfid I.

Das Verhältnis von Eisen zu Schwefel ist in Eisensulfid I ${1 : 1}$, also lautet die Summenformel dieser Verbindung $\ce{FeS}$.

Die Ergebnisse für $\pu{1 000 g}$ Eisensulfid II sind in der Tabelle festgehalten.

Das Verhältnis von Eisen zu Schwefel ist in Eisensulfid II ${1 : 2}$, also lautet die Summenformel dieser Verbindung $\ce{FeS2}$.

Auch in Mischungen aus $\ce{FeS}$ und $\ce{FeS2}$ bleiben die jeweiligen Massenverhältnisse gleich.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Gesetz von den konstanten Proportionen