캣미스트리

앞의 포스팅에서부터 이어집니다.

② 시성식 

화합물은 특정한 성질을 가질때가 있어요. 물에 잘 녹거나, 안녹거나, 향을 내거나, 강산이거나, 등등..

이때 모든 원자들이 마음대로 성질을 내는게 아니라, 특정한 성질을 내는 구조가 있어요.

이렇게 분자가 특정한 성질을 가지게 하는 구조를 작용기 라고 합니다.

쉬운 예로 -OH (알코올), -COOH (카르복실기), -NH2 (아민기) 등이 있어요.

알코올의 경우, OH가 작용기 이므로

CH3OH도, CH3CH2OH도, CH3CH2CH2CH2CH2OH ...도 알코올의 성질을 띄게 됩니다(정도의 차이는 있음).

시성식이란, 작용기가 눈에 보이도록 써놓은 식을 뜻해요.

예를 들면, 아세트산(CH3COOH)의 경우 COOH 를 돋보이게 써놓은게 바로 그것입니다.

분자식 그대로 C2H4O2 라고도 쓸 수 있는데, COOH가 있는지 알 수 없으니까 눈에 띄게 써둔것이지요!

③ 구조식 

구조식은 실제 결합모양을 선으로 나타낸 것 입니다.

위에서 말한 아세트산의 경우 대충 이렇게 생겼어요. 이게 구조식입니다.

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아세트산을 이용해 정리해볼께요.

아세트산의 실험식 : CH2O

아세트산의 분자식 : C2H4O2

아세트산의 시성식 : CH3COOH

아세트산의 구조식 : 

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3. 실험식, 분자식, 시성식, 구조식

① 실험식, 분자식 

탄소와 수소로 어떤 화합물을 만들었어요. 뭐가 만들어졌을까요?

NMR 같은 측정장비로 직접 측정하는 방법도 있지만, 그 기기가 없고 단순한 장비밖에 없다고 쳐요.

쉽게 생각나는 방법은 그 화합물을 연소시켜 보는거에요.

연소를 시킨다는건 산소를 공급한다는 뜻이에요. 촛불이 산소가 없으면 꺼지듯이, 뭔가 불태운다는건

산소와 결합시키고 있는거에요.

     가열(O)

        ▼

C ---------→ CO2   이렇게

탄소(C)를 연소시키면 산소(O)와 결합해 이산화탄소(CO2)를 생성해요.
 

수소(H)를 연소시키면 산소(O)와 결합해 물(H2O)을 만들어요.

(환경에 따라 다를수 있지만 그렇다고 가정)

자동차 배기관으로 이산화탄소와 물이 생성되는것과 같아요.

그럼 탄소와 수소로 이루어진 물질을 태워서 나오는 물과 이산화탄소의 무게를 재면

탄소, 수소가 얼마나 나왔는지 알수있어요.

예를 들어, 탄소와 수소, 질소로 이루어진 화합물이 있어요. 각각의 질량 백분율을 계산해봤더니

탄소 38.7%, 수소 16.2%, 질소 45.1% 가 나왔어요. 실제로 각각 몇 몰이 나온걸까요?

화합물 100g이 있었다고 가정해보면 쉬워요. 100g에는 탄소 38.7g, 수소 16.2g, 질소 45.1g 이 있을거에요.

탄소의 몰질량은 12g/mol 이므로, 이 화합물 100g 내의 탄소의 양은 다음과 같아요.

즉, 100g내의 탄소의 양은 3.2 mol 이에요.

마찬가지로, 수소의 몰질량은 1g/mol 이므로 100g 내의 수소의 양은 16.2 mol 이에요.

질소의 몰질량은 14g/mol 이므로 100g 내의 질소의 양은 3.2 mol 이에요.

가장 간단한 정수비로 나타내기위해 각각을 3.2로 나누면,

탄소 1 : 수소 5 : 질소 1 의 비율이네요!

즉, 이 화합물의 조성은 탄소가 n개 일때 수소가 5n개, 질소가 n개 있어요.

CnH5nNn 입니다. 간추려서 (CH5N)n 이라고 쓸 수 있어요.

이렇듯 n이 정수가 될때 가장 간단한 식 을 실험식 이라 해요.

위의 예에선 n=1 일때 CH5N 이 실험식이에요.

하지만 이게 실제 CH5N 인지는 알수없죠? n이 1이 아닐수도 있으니까요.

C2H10N2일수도, C3H15N3 일수도 있어요. 이때 그 화합물의 몰질량을 알아야 화합물의 정확한 n값을 알 수 있어요.

만약 화합물의 몰질량이 62g/mol 인 경우를 생각해봅시다. CH5N의 몰질량은 12g/mol + 5g/mol + 14g/mol = 31g/mol 입니다.

n=2일때 즉, C2H10N2 일때 몰질량이 62g/mol 이겠지요? 결국 이 화합물의 진짜 화학식은 C2H10N2 입니다.

이때 이 정확한 화학식을 분자식 이라고 합니다.

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2. 몰질량, 질량 백분율

① 몰질량

물질 1몰의 질량을 그램으로 표시한 것을 몰질량 이라 합니다.

예를 들어봅시다. CH4의 경우 C 1개와 H 4개로 이루어져 있어요.

탄소 1몰의 질량은 12.01g 이고, 수소 1몰의 질량은 1.008g 입니다.

즉, CH4 1몰은 12.01g + 4 X 1.008g = 16.04g 입니다.

위처럼, 분자일 경우 몰질량 = 분자량 입니다.

Q. 탄산칼슘의 화학식은 CaCO3 이다. 몰질량은?

탄소의 질량 : 12.01g, 산소의 질량 : 16.00g, 칼슘의 질량 : 40.08g 으로 주어졌습니다.

A. CaCO3에는 탄소하나, 산소3개, 칼슘하나로 이루어져 있다.

즉, 탄산칼슘의 몰질량은 12.01g + 3 X 16.00g + 40.08g = 100.09g

탄산칼슘의 몰질량, 즉 1몰의 질량은 100.09g 입니다.

A. 탄산칼슘 시료가 7.5몰이 있다. 몇그램인가?

탄산칼슘 1몰은 100.09g 입니다. 7.5몰의 질량은 아래와 같습니다.

② 질량 백분율

말 그대로 화합물 내 질량의 백분율을 뜻해요.

화합물 1몰의 총 질량과 성분원소 1몰의 질량을 비교하면 질량 백분율을 얻을 수 있어요.

CH4로 예를 들어봅시다. 우선, 위에서 보았듯 CH4 1몰의 질량은 16.04g 입니다.

CH4 1몰에는 탄소 1몰과 수소 4몰이 들어있어요.

CH4 에서 탄소의 질량 백분율을 구해봅시다. 탄소 1몰의 질량은 12.01g 입니다.

CH4 1몰의 총 질량 16.04g 중에 탄소 1몰의 질량 12.01g이 있는거에요. 질량 백분율은 다음과 같아요.

백분율이므로 100을 곱했어요. 즉, CH4 1몰내에서 탄소 1몰의 질량 백분율은 74.87% 입니다.

수소도 마찬가지로 계산할 수 있습니다.

백분율은 너무 쉬운 개념이라 쉽게 생각하고 넘기는 경우가 많으므로

오히려 한번만 눈으로 읽어두면 편합니다!

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1. 원자 질량, 몰

① 원자 질량

원자 한개의 절대적인 질량을 정확하게 저울에 달아 재는 것은 불가능해서,

원자 질량은 상대적인 질량을 재요. 즉, 하나를 기준으로 잡아놓고 나머지가 얼마나 가볍냐, 무겁냐로 따져요.

이때 기준이 되는것이 탄소의 질량단위 입니다. 탄소에도 동위원소들이 있는데,

이중 자연에서 가장 많은 질량수 12인 탄소를 기준으로 잡았습니다.

원자의 질량은 amu (atomic mass unit) 단위로 나타냅니다.

1 amu 란 원자 한개의 질량을 의미해요. 실제로 원자의 질량을 절대적으로 잴 순 없어서 1개가 딱 1 amu 인건 아니에요.

대신 원자의 질량을 나타낼 때 질량수 12인 탄소의 질량을 12 amu 로 잡은거에요. 즉, 그러기로 약속한거에요.

(이때 질량수란 양성자수+중성자수 를 뜻해요. 질량수는 보통 기호왼쪽위에 숫자로 나타내요.  질량수 12인 탄소는  이렇게)

그냥 직관적으로 설명해볼께요 (정확하지는 않음)

앞에서 원자의 질량은 양성자와 중성자에 의해 결정된다고 했지요. 질량수 12인 탄소는 양성자 6개와 중성자 6개를 가지고 있어요.

12 amu 가 질량수 12인 탄소의 질량이라고 했지요.

즉, 1 amu 는 양성자 하나와 중성자 하나를 합쳐서 2로 나눈, 평균 질량같은 느낌이겠네요
(실제론 중성자가 조금 더 무겁대요)

원자 한개의 무게를 표시하고자 amu 를 만들었는데, 왜 하필 탄소를 사용했을까요?

계산과정에서 가장 유용한게 탄소이기 때문이에요.

이유를 크게 두가지로 잡아보면 다음과 같아요.

⑴ 탄소를 기준으로 잡으면, 질량수 1인 수소의 질량이 1 amu에 매우 가까워요. 


수소 하나가 약 1.008 amu 가 돼요. 수소나 탄소는 화학계산에서 매우 많이 쓰이기에,


이 값들이 정수에 가까운게 화학계산에 유리해요.

⑵ 탄소가 자연계에서 동위원소 비율이 상당히 낮기 때문이에요.


동위원소란 같은 원자내에서도 질량이 다른거라고 했었어요. 그 이유는 중성자수가 다른 원소들이 있기 때문이구요.

그래서 동위원소가 매우 많고 복잡한 원소면 질량 계산할때 복잡하겠지요?

근데 탄소는 동위원소 비율이 매우 낮아요.

질량수 12인 탄소가 지구상에 98.89%, 13인 탄소는 1.11%, 14인 탄소는 계산의 의미가 없을 정도로 적어요.

그래서 동위원소로 인한 오차가 매우 적기 때문에 기준으로 사용하기 좋아요.

화학계에서는 산소를 기준으로 잡기도 한대요. 16amu 를 질량수 16인 산소원자의 질량으로 보는거지요.

그거야 과학계 알아서 할 일이고..

우리는 amu 가 가상의 원자 1개의 질량을 나타내는거구나, 하고 알면 돼요.

그리고 근사적으로, 1 amu 는  이에요.

② 몰, 아보가드로 수

몰은 쉽게 생각해야해요. 몰은 그냥 수에요. 1몰은 에요. 그냥 수이기에 단위도 없어요.

구슬이   개 있다하면 구슬이 1몰 있어요.

아이스크림이  개 있다 하면 아이스크림이 1몰 있어요.

이 때   이 수를 아보가드로 수(Avogadro's number)라 해요.

몰의 정확한 의미는 정확히 12g의 순수한  에 들어있는 탄소 원자수와 같은 수 라고 정의해요.

정의가 만들어지고, 정확한 측정법에 의해 아보가드로 수가 정해진 거에요.

다른 말로, 탄소 12g에 각 질량이 12 amu인 탄소가 정확히  개 들어있다는 뜻이에요.

즉,    이에요.

Q. 탄소 6개가 들어있는 시료의 질량은?

A. 탄소 하나의 질량은 12 amu 로 정의되었어요. 즉, 탄소 6개의 질량은 12 amu X 6 = 72 amu 에요.

amu와 g의 관계식을 위에서 봤지요. 단위인자로 환산해서 생각해보면

  이므로  

입니다.

즉, 

 일반화학에서 문제로 출제되는 영역을 요점정리 해볼께요.

보통 1단원에서는 기초부분을 설명합니다.

문제 제출의 핵심은 용어정의 / 유효숫자 계산 / 단위 계산 입니다.

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[용어 정의]

원자 - 물질을 구성하는 기본 입자

국제 단위계(SI단위계) - 과학자들의 국제적 합의에 의해 정해진 단위계(미터계 사용)로 가장 널리 사용됨

질량 - 물체의 운동상태를 변화시킬 때 물체 자체의 저항, 물체의 고유한 값

유효숫자 - 오차를 생각해도 믿을 수 있는 숫자, 항상 확실한 자릿수 + 불확실한 첫번째 자릿수

정밀도 - 측정값끼리 비슷한 정도

정확도 - 측정값이 참값에 가까운 정도

우연오차 - 특정한 원인을 알 수 없는 오차

계통오차 - 특정한 원인이 정해진 오차

단위(환산)인자 - 단위를 바꾸기 위해 사용하는 수식

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[유효숫자]

1. 유효숫자 세는 방법

① 0이 아닌 정수는 모두 유효숫자

  ex) 778.32 → 유효숫자 : 7,7,8,3,2

② 숫자 앞부분에 오는 0은 유효숫자가 아님

  ex) 0.014 → 유효숫자 :1,4

③ 숫자 가운데에 오는 0은 유효숫자

  ex) 481.021 → 유효숫자 : 4,8,1,0,2,1

④ 숫자 끝에 오는 0은 소수점일 경우에만 유효숫자

  ex) 0.023010 → 유효숫자 : 2,3,0,1,0

  ex) 1990 → 유효숫자 : 1,9,9

⑤ 완전수 - 직접 세거나, 정의에 의해 정해지는 수

  완전수는 유효숫자의 계산에서 고려 X

2. 유효숫자 계산 방법

① 곱셈, 나눗셈

   → 유효숫자의 개수가 가장 적은값 에 맞춤

즉, 계산 중에 가장 낮은 유효숫자의 개수 = 결과값의 유효숫자 개수

ex)

2.4의 유효숫자가 2개이므로, 결과값의 유효숫자도 2개로 맞춰줍니다.

② 덧셈, 뺄셈 

   → 정밀도가 가장 낮은값 에 자리를 맞춤

즉, 소수점 아래 숫자가 제일 적은 값에 맞춤

ex)

33.1이 소수점 아래 숫자가 하나로 가장 낮은 정밀도를 가지고 있으므로

결과값도 소수점 아래 숫자를 하나로 맞춤

③ 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 혼합 

   → 사칙연산 순서대로 계산하며, 과정마다 따로 위의 유효숫자 계산하는 규칙에 따라 계산

================================================================================

[단위 계산]

ex) 인치 → 센티미터 로 바꾸기

위 식에서 양변을 2.54 cm 로 나누면

​

즉,

  or  

Q. 10.2인치를 센티미터로 바꾸기

A.   

================================================================================

[온도]

크게 섭씨(˚C), 화씨(˚F), 켈빈(K) 온도로 분류

[켈빈온도 = 섭씨온도 + 273.15]

[섭씨온도 = 켈빈온도 - 273.15]

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4. 옥텟규칙, 전자껍질

각 원자는 원자번호만큼의 전자를 가집니다.

예를 들어 12번인 마그네슘은 12개의 전자를 가져요.

이때 12개의 전자가 모두 화학결합에 참여하는가? 거의 그렇지 않아요.

전자는 일정한 규칙을 만족하면 매우 안정한 배열을 가지는데, 일단 안정한 배열을 가진 전자는

어지간해선 그 모양을 유지하고, 화학결합에 관심이 없어요.

이를 [옥텟규칙] 이라고 해요. 

전자 8개가 모일때마다 걔들끼리 안정한 궤도를 돌게된다는 뜻이에요

대충그린 그림으로 설명합니다.

     알아봐주세요...

이건 마그네슘의 전자배치를 그려본거에요. 

(아주 대충 그린거고 실제로는 절대 저렇게 존재하지 않습니다. 궤도를 설명하기 위해 저렇게 그렸을뿐

실제 도는 모양은 오비탈함수 모양을 따라가요. 언젠간 설명함)

전자는 양성자 주위를 돕니다. 마구잡이로 도는게 아니라 안정하게 도는 특정 궤도가 있어요. 

이 궤도를 실제 모양으로 매번 상상하기는 어려워요. 실제로 전자가 도는걸 눈으로 관측할 수도 없어서 (불확정성 원리)

​그냥 전자가 여기있을 확률이 얼마다, 하고 오비탈(궤도함수)을 만든거구요. 

그래서 이걸 에너지에 관한 그림으로 나타냈어요. 그걸 전자껍질 이라고 불러요.

우리는 편하게, 전자가 도는 궤도가 있는데 그걸 알기쉽게 그린게 전자껍질이구나, 생각하면 돼요.

전자껍질 안에 전자가 들어가는 거에요!

전자껍질은 안쪽에서부터 바깥쪽으로 차곡차곡 배열을 이뤄가요.

전자도 안쪽에서부터 바깥쪽으로 전자껍질안에 차곡차곡 쌓여가요.

그러다가 가장 바깥쪽에 생기는 전자껍질을 최외각 전자껍질 이라 불러요.

안정해진 배열은 화학결합에 관심이 없다고했지요? 그래서 실제로는 안정해진 배열안의 전자는 보통 생각할 필요가 없고,

가장 바깥쪽의 전자 배치인 최외각 전자껍질이 중요해져요.

전자를 전자껍질에 채워넣는데에는 규칙이 있어요. 옥텟규칙 이에요.

중심에서 가장 가까운 궤도에는 전자 2개가 들어갈 수 있어요.

그 다음 궤도부터는 전자가 8개씩 들어갈 수 있어요.

전자가 8개가 되었을때 가장 안정한 배치가 되는데, 이를 옥텟규칙(팔전자규칙) 이라고 합니다.

마그네슘은 전자가 12개에요. 가장 중심부의 궤도에 2개의 전자가 들어가고,

그다음 궤도에 8개의 전자가 들어가면,

전자가 2개 남아요. 이걸 최외각 전자라 해요.

그림에서 가장 바깥쪽의 궤도에 전자가 2개 남아있는게 보일거에요.

저 2개의 전자가 다른 원자끼리 결합할때 사용돼요.

그럼 드디어 본론으로 돌아와서, 왜 같은족의 화학적 성질이 비슷할까요?

같은족인 4번 베릴륨(Be)을 생각해봅시다. 베릴륨은 4번이니까 전자가 4개 있을거에요.

중심에서 가장 가까운 궤도에 2개의 전자가 들어가면

그 다음 궤도에는 남은 전자 2개가 들어가겠죠? 즉, 최외각 전자 개수가 2개에요!

그럼 마그네슘과 같아요!!

또 같은족인 20번 칼슘(Ca)을 생각해봐요. 20번이니까 전자가 20개 있어요.

중심에서 가장 가까운 궤도에 2개, 그다음 궤도에 8개, 또 그다음 궤도에 8개 들어가요.

그럼 2개가 남죠? 또 최외각 전자 개수가 2개네요!

요약하자면 다음과 같아요.

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화학적 성질은 최외각 전자 개수의 영향이 크다.

같은족의 원소는 최외각 전자 개수가 같다.

즉, 같은족의 원소끼리는 화학적 성질이 비슷하다.

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다른 족으로 계산해봐도 똑같아요 (전이금속은 예외가 있는데 부전공 과정에선 안볼꺼에요)

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3. 주기율표

대충 만들어둔 주기율표 입니다.

1~20 까지는 고등학교 화학 수준 / 21~30 까지는 부전공 화학 수준 정도 되겠네요.



 

그 외에는 외우기도 힘들고, 잘 사용하지 않는편이에요.

단, 몇가지는 따로 외우는게 좋습니다. 알칼리 금속, 할로젠, 비활성 기체는 문제에 흔히 쓰입니다!

가로로 족, 세로로 주기라 불러요. 즉, 7주기 18족까지 있어요.

즉, 1번인 수소(H)는 1주기 1족원소, 2번 헬륨(He)은 1주기 18족 원소,

12번인 마그네슘(Mg)은 3주기 2족 원소 입니다.

중요한 부분 몇가지만 살펴봅니다.

① 대부분의 원소는 금속이다.

5번 붕소(B) 왼쪽밑으로 진한 줄이 그어져있어요.


그걸 기준으로 왼쪽 아래는 전부 금속, 오른쪽 위는 비금속 이에요.

(단, 수소는 왼쪽위에 있지만 비금속)

=====================================================

금속의 대표적인 성질은 아래와 같아요.

열과 전기 전도성이 높다.

전성 및 연성이 높다.

전자를 잃고 양이온이 되기 쉽다.

=====================================================

② 금속이 아닌것을 비금속으로 분류한다.

비금속은 금속과 반대의 성질을 가집니다.

대체로 전자를 얻어 음이온이 되기 쉽고, 물리적인 특성이 없어요.

③ 같은족의 원소는 화학적 성질이 비슷하다.

비슷한 화학적 성질을 가지는게 세로로 나열되어 있어요.

다시 말해, 같은족끼리는 화학적 성질이 비슷해요.

예로, 1족에 알칼리 금속이라 묶여있는건 걔들끼리 화학적 성질이 비슷해요. 이유가 뭘까요?

화학적 성질은 앞에서 말했듯 전자와 관련이 있는데, 더 자세히는 오비탈(전자의 궤도함수), 전자껍질에서 다뤄요.

바로 다음 포스트에서 좀 더 자세히 알아봅니다!

이번 내용은 간단하므로 네이버 포스트 링크로 대체합니다.

(http://blog.naver.com/pysung0409/220982152520)

요약

[돌턴의 원자론]

1. 각 원소는 원자라고 하는 작은 입자로 이루어진다.

2. 한 가지 원소의 원자는 모두 동일하다. 서로 다른 원소의 원자들은 본질적으로 다르다.

→ 현대 화학에서 2번은 동위원소의 발견으로 깨집니다.

3. 화합물은 다른 원소의 원자들끼리 결합해서 형성된다. 한 가지 화합물에는 언제나 동일한 원자들이 일정비로 존재한다. 

→ 앞에서 살펴본 일정 성분비의 법칙입니다.

4. 화학 반응은 원자들이 재편성되는 과정이다. 원자 자체가 변하는 반응이 아니다.

→ 앞에서 살펴본 질량 보존의 법칙입니다.

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1. 기본 화학 법칙

현대 화학을 이루는 근간이 된 법칙들이 있습니다.

⑴ 질량 보존 법칙 (law of conservation of mass)

1744년, 라부아지에의 검증을 통해 확립되었습니다.

다양한 반응에서 반응물과 생성물의 질량은 변하지 않음을 밝혀냈어요.

화학반응이 일어나도 총량은 언제나 변하지 않습니다.

종이를 태우면 재가 남아요.

재의 무게는 종이보다 가볍지만, 태우는 과정에서 발생한 것의 질량을 모두 더하면 종이의 질량과 같습니다.

종이의 질량 → 재의 질량 + 발생한 기체의 질량 (수증기, 이산화탄소)

⑵ 일정 성분비 법칙 (law of definite proportion)

일정 성분비 법칙이란, 주어진 화합물 내 원소들의 질량비는 항상 동일하다는 것입니다.

1799년 프루스트에 의해 검증되었습니다.

물의 경우, 수소와 산소의 질량비는 1:8 이다. 어떤 경우에서나 마찬가지입니다.

아무리 많은 수소가 있어도, 수소와 산소 질량비가 2:8 인 물은 만들 수 없지요.

수소가 100g, 산소가 8g 있으면 수소 1g만 물을 만드는 데 쓰이고, 99g 은 그냥 남아요.

더 세게 가열하든, 추운데서 하든 같습니다.

설탕물에 설탕을 많이 넣으면 더 달아지지 않느냐 할 수 있는데 설탕물은 화합물이 아니라 혼합물이에요.

화합물은 일정한 반응에 의해 조성을 띄는 물질이고 혼합물은 그냥 물리적으로 혼합되어 있는 상태입니다.

화합물은 레고가 딱딱 끼워맞춰져 있는거고 혼합물은 레고조각을 마구 들이부은 것과 같아요.

⑶ 배수 비례 법칙 (law of multiple proportion)

 배수 비례 법칙은 두 원소가 서로 다른 화합물을 형성할 때 첫번째 원소와 결합하는 다른 원소의 질량비는 간단한 정수로 나타낼수 있다는 것입니다.

돌턴이 발견했어요.

위에서 수소와 산소가 1:8 로 반응한다고 했을 때와 마찬가지입니다.

막 1: 1.354789.. 이렇게 정수비로 나타낼 수 없는 경우로 반응하지 않습니다.

위의 법칙들은 "원소들을 이루는 작은 입자인 원자가 있어서, 화합물 내 원자의 조합이 항상 일정할 것이다" 



라는 돌턴의 원자론을 뒷받침합니다.