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

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)^[2][3]。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」^[4]。 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^[5]。

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

1. Thomas Thomson (chemist). Wikipedia. 2024-01-10 （英語）.
2. Dalton, John. A New System of Chemical Philosophy. /. Cambridge University Press. 2010-09-16. ISBN 978-1-108-01968-2.
3. Synge, J. M. To John Guinan (January 1906). The Collected Letters of John Millington Synge. Oxford University Press. 1983-08-11.
4. Dalton, John; Scattergood, Thomas; Thorpe, T. E. A new system of chemical philosophy. /. Manchester: Printed by S. Russell ... for R. Bickerstaff, ... London. 1808.
5. Aikin, Charles Rochemont (1775–1847). Oxford Dictionary of National Biography (Oxford University Press). 2018-02-06.

參見

• 定比定律