Định luật tỉ lệ bội (Law of Multiple Proportions)

Nội dung: Khi hai nguyên tố A và B kết hợp với nhau để tạo thành nhiều hơn một hợp chất, thì khối lượng của nguyên tố B kết hợp với một khối lượng cố định của nguyên tố A sẽ tỉ lệ với nhau theo tỉ số của các số nguyên nhỏ. Nói cách khác, nếu giữ nguyên khối lượng của nguyên tố A, và xét các hợp chất khác nhau được tạo thành từ A và B, thì khối lượng của nguyên tố B trong các hợp chất này sẽ tỉ lệ với nhau theo tỉ số các số nguyên đơn giản.

Giải thích

Nếu nguyên tố A kết hợp với nguyên tố B tạo thành hai hợp chất khác nhau. Trong hợp chất thứ nhất, $mA$ gam A kết hợp với $m{B1}$ gam B. Trong hợp chất thứ hai, cũng $mA$ gam A kết hợp với $m{B2}$ gam B. Thì theo định luật tỉ lệ bội, tỉ lệ $m{B1} : m{B2}$ sẽ bằng tỉ lệ của hai số nguyên nhỏ. Tức là:

$\frac{m{B1}}{m{B2}} = \frac{n_1}{n_2}$

Trong đó, $n_1$ và $n_2$ là các số nguyên nhỏ.

Ví dụ:

Cacbon (C) và oxy (O) có thể kết hợp để tạo thành hai hợp chất khác nhau là cacbon monoxit (CO) và cacbon đioxit (CO₂).

• Trong CO, 12 gam C kết hợp với 16 gam O.
• Trong CO₂, 12 gam C kết hợp với 32 gam O.

Tỉ lệ khối lượng của O kết hợp với cùng một khối lượng C (12 gam) là:

$\frac{16}{32} = \frac{1}{2}$

Tỉ lệ này là tỉ số của hai số nguyên nhỏ 1 và 2, phù hợp với định luật tỉ lệ bội.

Ý nghĩa:

• Định luật tỉ lệ bội củng cố lý thuyết nguyên tử của Dalton, khẳng định rằng các nguyên tử kết hợp với nhau theo tỉ lệ số nguyên của các nguyên tử.
• Định luật này giúp giải thích sự hình thành của các hợp chất khác nhau từ cùng một cặp nguyên tố.
• Định luật tỉ lệ bội là một trong những nền tảng quan trọng của hóa học hiện đại.

Phân biệt với Định luật tỉ lệ thành phần không đổi

Định luật tỉ lệ thành phần không đổi nói rằng một hợp chất hóa học luôn có thành phần các nguyên tố không đổi về khối lượng. Điều này có nghĩa là tỉ lệ khối lượng của các nguyên tố trong một hợp chất cụ thể luôn luôn giống nhau, bất kể nguồn gốc hay phương pháp điều chế của hợp chất đó. Trong khi đó, định luật tỉ lệ bội nói về mối quan hệ khối lượng của các nguyên tố khi chúng tạo thành nhiều hợp chất khác nhau. Nói cách khác, định luật tỉ lệ thành phần không đổi áp dụng cho một hợp chất riêng lẻ, trong khi định luật tỉ lệ bội so sánh thành phần của các hợp chất khác nhau được tạo thành từ cùng các nguyên tố.

Hạn chế

Mặc dù định luật tỉ lệ bội áp dụng cho nhiều hợp chất, nhưng nó không áp dụng cho các hợp chất không tuân theo tỉ lệ nguyên tử đơn giản, ví dụ như các hợp chất phi hóa lượng luận (non-stoichiometric compounds). Đây là những hợp chất mà tỉ lệ giữa các nguyên tố không phải là các số nguyên nhỏ. Sự sai lệch này thường xảy ra trong các oxit kim loại chuyển tiếp và một số hợp chất khác.

Ứng dụng

Định luật này được sử dụng để xác định công thức hóa học của các hợp chất, đặc biệt là khi kết hợp với các định luật khác như định luật bảo toàn khối lượng. Việc phân tích tỉ lệ khối lượng của các nguyên tố trong các hợp chất khác nhau cho phép xác định các tỉ lệ số nguyên nhỏ và từ đó suy ra công thức hóa học của chúng.

• Silberberg, M.S. (2006). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill.
• Petrucci, R.H., Herring, F.G., Madura, J.D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.
• Atkins, P., & Jones, L. (2010). Chemical Principles: The Quest for Insight. W. H. Freeman.

Câu hỏi và Giải đáp

Định luật tỉ lệ bội có áp dụng cho tất cả các loại hợp chất không? Nếu không, hãy cho ví dụ về hợp chất mà định luật này không áp dụng được.

Trả lời: Không, định luật tỉ lệ bội không áp dụng cho tất cả các loại hợp chất. Nó chỉ áp dụng cho các hợp chất tuân theo tỉ lệ số nguyên đơn giản của các nguyên tử. Định luật này không áp dụng cho các hợp chất phi hóa lượng luận, ví dụ như một số oxit kim loại chuyển tiếp có thể có công thức không tuân theo tỉ lệ số nguyên nhỏ, chẳng hạn như $Fe_3O_4$ khi so sánh với $Fe_2O_3$ và $FeO$.

Làm thế nào để phân biệt định luật tỉ lệ bội với định luật tỉ lệ thành phần không đổi?

Trả lời: Định luật tỉ lệ thành phần không đổi nói rằng một hợp chất cụ thể luôn có thành phần các nguyên tố không đổi về khối lượng. Trong khi đó, định luật tỉ lệ bội so sánh thành phần của nhiều hợp chất khác nhau được tạo thành từ cùng các nguyên tố. Nó khẳng định rằng khối lượng của một nguyên tố kết hợp với một khối lượng cố định của nguyên tố khác sẽ tỉ lệ với nhau theo tỉ số số nguyên nhỏ.

Nếu hai nguyên tố A và B tạo thành ba hợp chất khác nhau, làm thế nào để áp dụng định luật tỉ lệ bội?

Trả lời: Nếu $mA$ gam A kết hợp với $m{B1}$, $m{B2}$ và $m{B3}$ gam B trong ba hợp chất khác nhau, thì theo định luật tỉ lệ bội, các tỉ lệ $m{B1} : m{B2} : m_{B3}$ sẽ bằng tỉ lệ của ba số nguyên nhỏ, ví dụ như $n_1 : n_2 : n_3$.

Định luật tỉ lệ bội có ý nghĩa gì trong việc phát triển lý thuyết nguyên tử?

Trả lời: Định luật tỉ lệ bội cung cấp bằng chứng thực nghiệm quan trọng ủng hộ lý thuyết nguyên tử của Dalton. Nó cho thấy các nguyên tố kết hợp với nhau theo tỉ lệ số nguyên của nguyên tử, khẳng định tính chất rời rạc của nguyên tử và cách chúng kết hợp để tạo thành các hợp chất.

Ngoài việc xác định công thức hóa học, định luật tỉ lệ bội còn có ứng dụng thực tiễn nào khác?

Trả lời: Định luật tỉ lệ bội giúp hiểu rõ hơn về bản chất của phản ứng hóa học và dự đoán sản phẩm của phản ứng. Nó cũng có thể được sử dụng trong phân tích hóa học để xác định thành phần của các mẫu chưa biết, đặc biệt là khi kết hợp với các định luật hóa học khác.