Il a publié pour la première fois sa loi des proportions définies (ou loi de la composition constante) en 1794.
La loi des proportions définies
L’une des observations fondamentales de la chimie moderne, la loi des proportions définies affirme que, dans un composé pur, les éléments se combinent dans des proportions définies les uns par rapport aux autres.
Un énoncé équivalent est la loi de la composition constante, qui stipule que tous les échantillons d’un composé chimique donné ont la même composition élémentaire.
Par exemple, l’oxygène constitue 8/9 de la masse de tout échantillon d’eau pure, tandis que l’hydrogène constitue le 1/9 restant de la masse.
Avec la loi des proportions multiples, ceci constitue la base de la stœchiométrie.
Cette observation a été faite pour la première fois par le chimiste français Joseph Proustà partir de plusieurs expériences menées entre 1797 et 1804. Dans la plupart de ces expériences, Proust a fait réagir plusieurs éléments avec de l’oxygène et a observé que la teneur en oxygène du produit de ces réactions était toujours fixée à une ou deux valeurs, plutôt que de présenter une large gamme de valeurs possibles. Par exemple, Proust a mesuré que le produit du fer et de l’oxygènepouvait contenir 27% d’oxygène ou 48% d’oxygène, mais pas une composition intermédiaire, ou que le produit du cuivre et de l’oxygène pouvait contenir 18% d’oxygène ou 25% d’oxygène,mais pas une composition intermédiaire.
Sur la base de telles observations, Proust a fait des déclarations comme celle-ci,en 1797 :
Je conclurai en déduisant de ces expériences le principe que j’ai établi au commencement de ce mémoire, à savoir que le fer comme beaucoup d’autres métaux est soumis à la loi de la nature qui préside à toute vraie combinaison, c’est-à-dire qu’il s’unit à deux proportions constantes d’oxygène. Sous ce rapport, il ne diffère pas de l’étain, du mercure et du plomb, et, en un mot, de presque tous les combustibles connus.
Si la loi des proportions définies peut sembler trivialement vraie au chimiste moderne, inhérente à la définition même d’un composé chimique, il n’en était pas de même à la fin du XVIIIe siècle, lorsque le concept de composé chimique n’était pas encore complètement développé. En fait, lorsqu’elle a été proposée pour la première fois, cette affirmation était controversée et d’autres chimistes s’y opposaient, notamment Claude Louis Berthollet, un compatriote français de Proust, qui affirmait que les éléments pouvaient se combiner dans n’importe quelle proportion. L’existence même de ce débat souligne qu’à l’époque, la distinction entre les composés chimiques purs et les mélanges n’était pas encore totalement développée.
La loi des proportions définies a contribué à la théorie atomique que John Dalton a promue à partir de 1803, qui expliquait que la matière était constituée d’atomes discrets, qu’il y avait un type d’atome pour chaque élément, et que les composés étaient constitués de combinaisons de différents types d’atomes dans des proportions fixes.
On peut noter que bien que très utile dans la fondation de la chimie moderne, la loi des proportions définies n’est pas universellement vraie.Il existe des composés non stœchiométriques dont la composition élémentaire peut varier d’un échantillon à l’autre. C’est le cas de l’oxyde de fer wüstite, qui peut contenir entre 0,83 et 0,95 atome de fer pour chaque atome d’oxygène, et donc entre 23 et 25 % d’oxygène. En général, les mesures de Proust n’étaient pas assez précises pour détecter de telles variations.