Относительные атомные и молекулярные массы являются мерой масс атомов и молекул, поэтому они позволяют сделать вывод о соотношении масс атомов различных элементов в молекуле сложного вещества.
Пример. Относительная атомная масса водорода и кислорода соответственно равна 1,00794 и 15,9994, откуда следует, что соотношение масс атомов водорода и кислорода составляет 1 : 16. В молекуле воды H2O содержится два атома водорода и один атом кислорода, следовательно, массовое отношение водорода и кислорода в молекуле воді равны 2 : 16 или 1 : 8.
Соотношение атомных масс элементов в соединениях устанавливает закон постоянства состава, вывел его в начале XIX в. французский химик Жозеф Луи Пруст (1754-1826) на основании анализа химических соединений. Его современная формулировка такова:
каким бы способом ни было получено вещество, его химический состав остается постоянным
В каждом сложном веществе (независимо от способа его получения) сохраняются неизменными соотношения чисел атомов и масс атомов входящих в его состав элементов. При этом, отношение чисел атомов различных элементов выражается небольшими целыми числами. Так, для воды H2O они составляют 2 : 1, для диоксида углерода CO2 – 1 : 2, для оксида азота (III) N2O3 – 2 : 3. Эти числа и определяют состав указанных сложных веществ.
Отсюда следует, что если два или несколько простых веществ соединяются с образованием некоторого сложного вещества, то и массовое отношение реагирующих веществ постоянно для данного продукта. Так, при взаимодействии водорода и кислорода могут быть получены вода H2O и пероксид водорода H2O2; очевидно, что не только в самих продуктах массовое отношение водорода и кислорода равно соответственно 1 : 8 и 1 : 16, но и массовые отношения реагентов будут такими же.
На основании закона постоянства состава и закона кратных отношений английский исследователь Джон Дальтон (John Dalton, 1766-1844) в 1807 г. высказал атомную гипотезу (основу атомно-молекулярного учения о строении вещества):
любое вещество составлено из мельчайших химических частиц – атомов; простое вещество состоит из атомов одного элемента, сложное вещество – из атомов различных элементов
Из атомной гипотезы получается, что закон постоянства состава отражает именно атомный состав вещества: в молекулу вещества объединяется определенное число именно атомов одного или различных элементов.
Закон кратных отношений, открытый Дальтоном, гласит:
если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массы атомов одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу атомов другого элемента, соотносятся между собой как небольшие целые числа
Пример. Сера образует два оксида – диоксид SO2 и триоксид SO3. Относительная атомная масса серы и кислорода равна 32 и 16 (округлено). Массовое отношение серы и кислорода в SO2 равно 32 : (2·16) = 32 : 32, в SO3 32 : (3·16) = 32 : 48. Отсюда следует, что на каждые 32 массовые части серы в этих соединениях приходится 32 и 48 массовых частей кислорода соответственно, т.е. а после сокращения в соответствии с математическими законами, соотношение массовых частей кислорода 32 : 48 = 2 : 3, что и является отношением небольших кратных чисел.
Закон кратных отношений является фактическим объединением закона сохранения массы и закона постоянства состава на базе атомной гипотезы строения вещества.