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일정 성분비 법칙

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목차

1. 개요

일정 성분비 법칙은 프랑스의 화학자 조제프 루이 프루스트가 1799년에 제안한 화학 법칙으로, 화합물을 구성하는 성분 원소들의 질량비는 화합물의 종류에 따라 항상 일정하다는 내용을 담고 있다. 이 법칙은 당시 원소들이 어떤 비율로든 결합할 수 있다고 주장하는 클로드 루이 베르톨레의 반론에 직면했으나, 존 돌턴의 원자론이 제시되면서 물질이 셀 수 있는 원자로 구성된다는 것을 뒷받침하며 받아들여졌다. 그러나 금속간 화합물과 일부 금속 산화물과 같은 비화학량론적 화합물은 이 법칙의 예외로, 성분 원소의 비가 일정 범위 내에서 변화할 수 있다.

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일정 성분비 법칙
일반 정보
이름일정 성분비 법칙
다른 이름정비례의 법칙, 돌턴의 법칙
영어 이름Law of definite proportions, Law of constant composition
내용화학 화합물을 구성하는 원소의 질량비는 항상 일정하다는 법칙
역사
제안자조제프 루이 프루스트
최초 제안 시기1794년 ~ 1804년
설명
핵심 내용같은 화합물은 항상 같은 종류의 원소로, 같은 질량비로 구성된다.
예시물(H₂O)은 항상 수소와 산소가 1:8의 질량비로 결합한다.
중요성돌턴의 원자설을 지지하는 중요한 증거가 된다.
예외
비화학량론 화합물성분 원소의 비가 정수가 아닌 화합물 (예: 산화 철(II))
동위 원소동위 원소의 존재로 인해 질량비가 약간씩 달라질 수 있다.

2. 역사

조제프 프루스트가 1799년에 일정 성분비 법칙을 처음 제안하였으나, 조지프 프리스틀리와 앙투안 라부아지에도 이와 유사한 발견을 한 바 있다.[9] 이 법칙은 모든 화학량적 화합물에 적용되어 당연하게 보일 수 있으나, 처음 제안되었을 때는 클로드 루이 베르톨레를 비롯한 여러 화학자들의 반론이 있었다.[9]

일정 성분비 법칙은 물질이 셀 수 있는 단위로 구성되어 있으며, 원소마다 다른 종류를 가진다는 점을 시사하여 존 돌턴의 원자론의 이론적 기반이 되었다.[10]

이와 관련하여 영국의 화학자 윌리엄 프라우트는 수소 원자가 원자의 기본 단위라는 프라우트의 가설을 제시했다. 여기서 원자 질량이 수소 질량의 정수배라는 정수율이 나왔으나, 1820년대와 1830년대에 옌스 야코브 베르셀리우스가 염소의 원자량을 35.45라고 밝히면서 이 주장은 받아들여지지 않았다.[6] 1920년대 이후 동위원소의 발견으로 이러한 차이가 설명되었다.[6]

기체 반응의 법칙은 돌턴의 원자론으로는 설명하기 어려웠고, 정비례의 법칙과 배수 비례의 법칙이 받아들여진 후에도 문제는 남아있었다. 이 모순은 아보가드로가 해결했다.

2. 1. 프루스트의 법칙 제안 (1799년)

조제프 프루스트는 1799년에 일정 성분비 법칙을 처음 제안하였다.[9][2] 이 법칙은 모든 화학량적 화합물에 적용되지만, 처음 제안되었을 당시에는 여러 가지 반론이 있었다. 특히 클로드 루이 베르톨레는 원소들이 어떠한 비율로든지 결합할 수 있다고 주장하며 반대했다.[9] 당시에는 순수한 화학 화합물과 혼합물 사이의 구분이 아직 명확하지 않았기 때문에 이러한 논쟁이 발생했다.[3][4]

프루스트는 탄산 구리가 광물인 공작석에서 얻은 것이든 실험실에서 합성한 것이든 같은 조성을 가진다는 점, 산화 구리나 산화 주석에 두 종류가 있다는 것을 제시하며, 조성이 변화하는 것처럼 보이는 것은 이들의 혼합물이기 때문이라고 반박했다.

프루스트는 Journal de Physique...프랑스어에 게재된 논문에서 다음과 같이 결론 내렸다.

이 법칙은 존 돌턴이 원자론을 제창할 때 그 근거 중 하나로 제시되면서 받아들여졌다.[10][5]

2. 2. 베르톨레와의 논쟁

조제프 프루스트는 1799년에 일정 성분비 법칙을 제안했지만, 조지프 프리스틀리와 앙투안 라부아지에가 이미 이와 유사한 발견을 한 바 있었다.[9] 이 법칙은 모든 화학량적 화합물에 적용되기 때문에 당연하게 보일 수 있지만, 처음 제안되었을 때는 여러 반론이 있었다. 특히 클로드 루이 베르톨레는 원소들이 어떠한 비율로든지 결합할 수 있다고 주장하며 반박했다.[9]

18세기 말은 화학 화합물에 대한 개념이 아직 명확하지 않았던 시기였다. 프루스트의 주장은 당시 다른 화학자들의 반대에 부딪혔는데, 특히 프랑스 화학자 클로드 루이 베르톨레는 원소들이 어떤 비율로든 결합할 수 있다고 주장했다.[3] 베르톨레는 광물의 조성을 예로 들어 화합물을 구성하는 성분 원소의 비는 산지나 제조법에 따라 변화한다고 주장했다. 당시에는 혼합물과 화합물의 차이가 명확하게 구분되지 않았기 때문에 베르톨레의 주장이 더 설득력이 있었다.[4]

이에 대해 프루스트는 탄산 구리가 광물인 공작석에서 얻은 것이든 실험실에서 합성한 것이든 같은 조성을 가진다는 점, 산화 구리나 산화 주석에 두 종류가 있다는 것을 제시하며 조성이 변화하는 것처럼 보이는 것은 이들의 혼합물이기 때문이라고 반박했다.

이러한 논쟁은 결국 일정 성분비 법칙이 받아들여지는 계기가 되었고, 존 돌턴이 원자론을 제창할 때 중요한 근거로 작용했다.[10]

하지만, 금속간 화합물이나 일부 금속 산화물에서는 성분 원소의 비가 일정 범위 내에서 변하는 경우가 있는데, 이를 비화학량론적 화합물 또는 베르톨레의 이름을 따서 베르톨라이드 화합물이라고 부른다. 반면, 일정 성분비 법칙을 따르는 화합물은 정비 화합물 또는 돌턴의 이름을 따서 돌토나이드 화합물이라고 부른다.

2. 3. 돌턴의 원자설과 일정 성분비 법칙

존 돌턴은 일정 성분비 법칙을 바탕으로 원자론의 이론적 기반을 세웠다.[10] 이 법칙은 물질을 구성하는 단위가 셀 수 있고, 원소마다 다른 종류를 가진다는 점을 시사했기 때문이다.[10] 돌턴은 1805년부터 물질이 개별적인 원자로 구성되어 있으며, 각 원소마다 하나의 원자 유형이 존재하고, 화합물은 고정된 비율로 다른 유형의 원자의 조합으로 만들어진다고 설명했다.[5]

이와 관련하여 영국의 화학자 윌리엄 프라우트는 수소 원자가 원자의 근본적인 단위라고 주장하는 프라우트의 가설을 제시했다. 이 가정에서 원자 질량은 수소 질량의 정수배라는 정수율이 나왔다. 그러나 1820년대와 1830년대에 옌스 야코브 베르셀리우스가 염소의 원자량을 35.45라고 밝히면서 이 주장은 받아들여지지 않았다.[6] 이후 1920년대에 동위원소가 발견되면서 이러한 차이가 설명되었다.[6]

2. 4. 기체 반응의 법칙과 아보가드로의 가설

기체 반응의 법칙은 돌턴의 원자론으로는 설명하기 어려운 현상이었다. 정비례의 법칙과 배수 비례의 법칙이 받아들여진 후에도 이 문제는 여전히 남아있었다. 예를 들어 질소 1 부피와 산소 1 부피가 반응하여 일산화 질소 2 부피가 생성되는 경우를 생각해보자. 질소와 산소가 모두 원자라면 반응 과정에서 분할되어야 하는데, 이는 "원자는 분할될 수 없다"는 원자론의 기본 가정에 어긋난다. 이 모순은 아보가드로가 해결했다. (자세한 내용은 기체 반응의 법칙 참조)

3. 예외: 비화학량론적 화합물

일정 성분비 법칙이 항상 성립하는 것은 아니며, 이러한 예외적인 화합물을 비화학량론적 화합물이라고 한다. 클로드 루이 베르톨레의 이름을 따서 베르톨라이드 화합물이라고도 부른다. 비화학량론적 화합물의 한 예시는 산화철의 일종인 뷔스타이트이다. 뷔스타이트는 산소 원자 하나당 0.83~0.95개의 철 원자를 가진다. 따라서 실험에 따르면 산소 질량비가 23%~25%로 나타난다. 이상적인 화학식은 FeO이지만, 결정 내 빈 공간 때문에 Fe0.95O로 표현된다. 조제프 루이 프루스트는 이러한 작은 변화를 감지할 만큼 정밀한 측정 기술을 갖지 못했다.

원소들의 동위 원소 구성은 생성물의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 이는 화학량론적 화합물의 질량에 영향을 줄 수 있다. 이러한 변화는 방사능 연대 측정에 활용된다. 하지만 중수소나 삼중수소와 같은 수소의 동위 원소를 제외하면, 이러한 질량 차이는 과거의 측정 장비로는 감지하기 어려웠다.

또한, DNA, 단백질, 탄수화물과 같은 많은 자연적 중합체(고분자)들은 "순수"할 때도 구성 성분의 비율이 조금씩 다를 수 있다. 이러한 중합체들은 일반적으로 '순수한 화학적 화합물'로 분류되지 않는다.

4. 동위원소와 질량비

원소의 동위원소 구성은 생성물의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 화학량적 화합물의 질량에 대한 동위원소의 퍼센티지는 바뀔 수 있다. 이러한 변화는 방사능 연대 측정에서 사용된다. 이처럼 동위원소에 따라 질량의 차이가 있지만 수소의 경우, 즉 중수소나 삼중수소를 제외하면 이 차이를 구식 기구로 감지하기란 쉬운 일이 아니다.

5. 예시

물(Water|워터영어)에서 수소(H)와 산소(O)의 질량 비는 항상 1:8이다. 만약 물에서 수소가 차지하는 질량이 2.5g이라면, 산소 원자가 차지하는 질량은 20g이 된다.

참조

[1] 서적 Chemistry Heath
[2] 간행물 Extrait d'un mémoire intitulé : Recherches sur le bleu de Prusse
[3] 문서
[4] 간행물 Sur les mines de cobalt, nickel et autres https://web.lemoyne.[...] 2008-05-08
[5] 서적 A New System of Chemical Philosophy, volume 1 https://web.lemoyne.[...] Manchester 2008-05-08
[6] 서적 One Two Three... Infinity: Facts and Speculations of Science Bantam
[7] 웹사이트 高等学校化学で用いる用語に関する提案（３） https://www.chemistr[...] 日本化学会 2017-11-15
[8] 서적 Chemistry Heath
[9] 문서
[10] 서적 A New System of Chemical Philosophy, volume 1 http://web.lemoyne.e[...] Manchester 2008-05-08


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