Закон объёмных отношений газов был сформулирован в начале XIX века французским учёным Жозефом Луи Гей-Люссаком. Он установил, что при постоянных условиях температуры и давления объёмы газов, вступающих в химическую реакцию, а также объёмы образующихся газообразных продуктов относятся друг к другу как небольшие целые числа.
Это фундаментальное открытие сыграло важную роль в развитии атомно-молекулярного учения, так как указало на дискретность строения вещества и на определённые количественные закономерности взаимодействия газов.
Объёмы газов, участвующих в реакции и измеренные при одинаковых условиях температуры и давления, находятся между собой в простых целочисленных отношениях.
Иначе говоря, если два или более газа реагируют друг с другом, их объёмы соотносятся как 1:1, 1:2, 2:3 и т. д., а не как произвольные дробные величины.
Гей-Люссак обосновал свой закон на основании многочисленных опытов. Наиболее яркие примеры:
Реакция водорода и кислорода: 2 объёма водорода + 1 объём кислорода → 2 объёма водяного пара. Здесь соотношение газов выражается как 2:1:2.
Реакция азота и водорода: 1 объём азота + 3 объёма водорода → 2 объёма аммиака. Соотношение газов — 1:3:2.
Реакция угарного газа и кислорода: 2 объёма угарного газа + 1 объём кислорода → 2 объёма углекислого газа. Соотношение — 2:1:2.
Такие результаты убедительно подтверждали, что газовые вещества подчиняются строгим математическим закономерностям.
Закон объёмных отношений стал важным звеном в становлении молекулярной теории. Он не мог быть объяснён исключительно атомистическими представлениями Дальтона, поскольку использование атомной теории в её первоначальной форме не объясняло, почему реакция водорода с кислородом идёт в соотношении именно 2:1, а не 1:1.
Решение этой трудности было предложено Амедео Авогадро. Он предположил, что равные объёмы газов при одинаковых условиях температуры и давления содержат одинаковое количество молекул. Благодаря этому стало ясно, что в состав молекул простых газов могут входить не отдельные атомы, а их соединения. Например, молекулы кислорода и водорода состоят из двух атомов (O₂ и H₂), что и объясняет закономерности, выявленные Гей-Люссаком.
Закон объёмных отношений лёг в основу газовой стехиометрии и расчётов химических реакций в газовой фазе. Он позволяет предсказывать объёмные соотношения реагентов и продуктов, что особенно важно в промышленной химии, газовой технологии, энергетике.
Например, при проектировании процессов горения углеводородов используется знание точного объёмного соотношения топлива и кислорода для обеспечения полного сгорания и минимизации выбросов.
Закон объёмных отношений неразрывно связан с законом Авогадро, который дал ему строгую теоретическую основу. В совокупности с законом сохранения массы и законом постоянства состава он подтверждает атомно-молекулярное учение, раскрывая количественные стороны химических превращений.
Таким образом, данный закон является одним из фундаментальных положений общей химии, обеспечивающим переход от экспериментальных наблюдений к глубокому пониманию сущности строения вещества и протекания химических реакций.