Legge di Proust: cos’è e a che serve

La legge delle proporzioni definite è una legge ponderale pubblicata da Joseph Louis Proust nel 1799 e regola la formazione dei composti chimici a partire dai loro elementi costitutivi.

Di fatto, afferma che quando due o più elementi chimici reagiscono per formare un determinato composto, si combinano sempre secondo un rapporto di massa definito e costante.

Ad esempio, il carbonato di rame, qualunque sia la sua origine (naturale o preparato in laboratorio), contiene sempre rame, carbonio e ossigeno nelle stesse proporzioni. Tuttavia, esistono eccezioni ai cosiddetti composti non stechiometrici.

Pertanto, la legge di Proust riguarda la relazione in cui varie sostanze si combinano tra loro per dare uno o più prodotti. Inquadriamo rapidamente il contesto storico che ha permesso la definizione di questa legge e proviamo ad analizzarlo in modo più dettagliato assieme alla legge stessa.

Legge di Proust: come è nata?

Ebbene, nel 1799, il chimico francese Joseph Louis Proust, esiliato in Spagna durante la Rivoluzione francese, notò che la composizione della pirite, un minerale abbondante in Spagna, era sempre la stessa, indipendentemente dalla sua origine.

In particolare, scoprì che la pirite contiene ferro e zolfo (disolfuro di ferro FeS2) e che questi due elementi sono presenti in proporzioni fisse. Per ogni grammo di ferro, c’erano sempre 1,14 grammi di zolfo (0,57 grammi per il disolfuro di ferro FeS). Questa stessa composizione si è conservata anche nella pirite raccolta nel suo laboratorio.

Proust estese la sua ricerca e scoprì che questo “comportamento” regolare nei rapporti di combinazione era comune anche ad altri minerali. Così, capì che quando due o più elementi chimici si combinano per formare un determinato composto, questi elementi sono in un rapporto definito e costante tra loro.

Ciò significa che, indipendentemente dall’origine, gli atomi degli elementi chimici sono in un certo rapporto tra loro quando il composto viene preparato.

Osservando vari esperimenti, Proust trovò diversi punti in comune nelle reazioni che portano alla formazione dei composti:

• è necessaria energia perché la reazione abbia luogo;
• la reazione porta a un cambiamento del reagente iniziale;
• la massa dei reagenti non deve essere casuale;
• la massa dei reagenti è un rapporto costante e definito.

In considerazione di ciò, Proust pubblicò la legge delle proporzioni definite (o legge di Proust).

Per dare credito alle osservazioni di Proust, occorre arrivare fino al 1801, quando vennero confermate anche dalla teoria atomica di Dalton, insieme a un esperimento pubblicato da Thomas Thomson.

La formula chimica di un composto è immutabile e il rapporto che esiste tra gli atomi per produrre una molecola appare come il rapporto di massa tra i reagenti secondo il coefficiente stechiometrico. È qui che l’intuizione atomica di Dalton dà ragione alla legge di Proust.

Cosa enuncia la legge di Proust?

Come già esplicitato, questo teorema afferma che gli elementi di un composto esistono sempre in un rapporto di massa costante. Insieme al principio di Lavoisier e alla legge di Dalton, fa parte della legge ponderale.

Si tratta di tre leggi che determinano le relazioni quantitative tra reagenti e prodotti e tra elementi nelle molecole. In altre parole, quando due o più elementi reagiscono tra loro per formare un composto, il rapporto è costante. Prima di approfondire, però, è necessario chiarire alcuni concetti chimici.

La legge di Proust si applica a tutti gli elementi puri composti dallo stesso tipo di atomi ed è espressa sotto forma di rapporti (ad esempio 2:1,5, 3:6, 1,2:4,5). Per definizione, questo rapporto significa che gli elementi si combineranno sempre nello stesso modo, indipendentemente dalla massa degli elementi con cui vengono fatti reagire.

Basta osservare la formula chimica di un composto per leggere la relazione tra le sostanze pure che lo compongono. Prendiamo ad esempio l’acido solforico (H2SO4).

Nella molecola sono presenti idrogeno (H), zolfo (S) e ossigeno (O). Questi elementi si combinano quindi secondo i rapporti indicati dai pedici, con due idrogeni e quattro ossigeni per ogni zolfo (2:1:4).

Esperimento pratico

Oltre a conoscere la teoria della legge di Proust, è necessario sapere come è stata confermata nella pratica. Un esperimento comunemente utilizzato nelle scuole a questo scopo riguarda la formazione di cloruro di zinco dalla reazione dello zinco con l’acido cloridrico.

La formula è Zn + 2HCl => H2 + ZnCl2.

Lo zinco utilizzato è in polvere e l’acido cloridrico è prelevato da una soluzione concentrata di 6M e pesato in ml. La reazione avviene quando l’idrogeno gassoso viene rilasciato sotto forma di bolle. Quando è completata, si ottiene il cloruro di zinco. Questo prodotto finale viene pesato e confrontato con la massa di zinco raccolta inizialmente.

Come indicato dalla reazione nella molecola di sale binario, i pedici sono 1 per lo zinco e 2 per il cloro. Secondo la legge di Proust, ci sono due atomi di cloro per ogni atomo di zinco. Sottraendo la massa dello zinco dalla massa del sale si ottiene la massa del cloro, da cui si può determinare la proporzione di entrambi gli elementi. Dividere la massa di ciascuno x 100 per la quantità misurata di ZnCl2.

L’analisi dei risultati mostra che il rapporto tra Zn e Cl è sempre 1:2, quindi cambiando la quantità di zinco non cambia la quantità di sale prodotto.

Esercizio

Per comprendere meglio questo importante concetto, vediamo alcuni esercizi di chimica.

Nel cloruro di magnesio (MgCl2), il rapporto di massa combinato è 24,3 g (magnesio) : 70,9 (cloro). L’obiettivo è trovare quanti grammi di magnesio e di cloro ci sono in mezzo chilogrammo di MgCl2.

Si tratta di un esercizio semplice. Innanzitutto, le due masse devono essere sommate per trovare quanti grammi di magnesio sono presenti nel sale: 24,3 + 70,9, il che dimostra che questa quantità di magnesio è contenuta in 95,2 g di sale. Poiché questo problema prevede il calcolo del numero di grammi di magnesio in 500 g di sale, è necessario calcolare un altro rapporto.

Mettete in relazione i grammi di magnesio con la quantità trovata, lasciando come incognita la quantità di Mg equivalente a mezzo chilogrammo. Il rapporto risultante è 24,3 : 95,2 = x : 500. A questo punto, è sufficiente calcolare x come 24,3 x 500/95,2 = 127 grammi. Per trovare la massa del cloro, basta calcolare 500 – 127 = 373 g di Cl.

Vediamo ora come utilizzare la legge di Proust per trovare i rapporti a partire dalle masse nel seguente problema. In una reazione che produce solfuro ferroso (FeS), ci sono masse di 55,8 g di ferro (Fe) e 32 g di zolfo (S). L’obiettivo è trovare il loro rapporto di combinazione.

Innanzitutto, è necessario determinare la massa totale del composto prodotto. La quantità di solfuro ferroso ottenuta può essere determinata dalla somma delle masse degli elementi reagenti. Ciò significa che 55,8 g + 32 g = 87,8 g di FeS. A questo punto è necessario determinare il rapporto, cioè il numero di grammi di ciascun elemento per 100 g di sale, per trovare il rapporto di miscelazione.

Per trovare il rapporto, è necessario utilizzare due rapporti. In primo luogo, con lo zolfo come 32 : 87,8 = x : 100, x = 32 x 100/87,8 = 36,44%, e poi con il ferro come 55,8 : 87,8 = x : 100, x = 55,8 x 100/87,8 = 63,55%. Una volta ottenuti i rapporti, non resta che dividere il rapporto più alto per quello più basso per ottenere il rapporto di miscelazione. Pertanto, 63,55/36,44 = 1,74.

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