拉瓦锡的《化学纲要》在公元1789年问世之后，化学科学割断了与古代炼金术所保留的联系，而以近代科学的面目出现了。拉瓦锡强调化学进行定量研究的重要性，并与之相关联地引入了物质不灭原理；这一原理声称在化学的过程中，物质既不丧失，也不多出来，化合物的重量和原料的重量相等。他还恢复了前人的那种见解，即化学原素就是不能用化学方法分解为更简单的东西的那种物质；他说元素是“化学分析所达到的真正终点”，并把自己知道的二十三种可信的元素列为一张表。
拉瓦锡的新观点导致人们努力地在化学上得出几条经验定律。第一条是当量比例定律，是杰里米亚？李希特（Jeremiah Richter，公元1762－1807）于公元1791年提出来的，他是波兰布雷斯劳采矿公司和柏林烧瓷厂的一个化学师。李希特是哲学家康德的学生；他和自己的老师一样，认为一切自然科学都是实用数学的分支。根据这条铭记于心的原则，他发现和一块已知数量的物质B化合的一块物质A的重量，如果完全和同等重量的物质C化合，那末物质C也将与同样已知数量的物质B化合。经过这一发现之后，人们就列出一个当量表，说明化学元素相互化合的相对数量。
第二条定律，定组成定律，是由法国人弗灵契曼？普鲁斯脱（Frenchman Proust，公元1755－1826）于公元1797年提出来的。普鲁斯脱是马德里大学的化学教授。他发现不管一种化合物是怎样形成的，它所含各种元素的重量比总是一样，其比例就是元素的当量。法国多种工艺学院的化学教授拜特洛对这条定律的正确性争执了好几年，他认为化学化合物的成分变化无穷，并不是固定的。拜特洛比较注意的是化学变化的过程，而不是化学变化的产物；在钻研他自己关心的项目上，他预见了十九世纪六十年代物理化学家的一些发现。他指出某些化学反应是可逆的，而另外一些反应的产物的产率则视化学反应中原来所用的反应物的数量，和反应物与产物的相对溶解度或挥发而定。根据这些事例，拜特洛就总结说，一种化合物的组成在化学反应的过程中是逐渐改变的。可是普鲁斯脱却能证明，在化学反应过程中逐渐改变的是化合物的数量，而不是化合物的组成；还有，拜物洛所指的组成变化无穷的化合物，实际上是混合物。普鲁斯脱事实上是第一个把混合物和化合物明确加以区别的人，混合物的成分可以用物理方法分离出来，化合物的成分只能用化学方法来分解。
这些定律使化学家得以鉴别许多新化合物和新元素，并使他们由此导致了原子论，因为原子论为如何服从这些自然定律提供了说明。原子论作为一种哲学臆测，从德谟克利特的时期起一直就很流行。这个学说在古代后期和中古世纪并不怎样受到欢迎，但在文艺复兴时期又复活了，并且被结合在牛顿的机械宇宙观里。可是在十九世纪以前，原子论并没有被人们怎样积极地加以应用。牛顿曾经假定气体原子一般地是静止的，并以一种与距离成反比的力相互排斥，以此来解释波义耳的气体体积与压力成反比的定律。瑞士数学家贝努利于公元1738年假定气体原子作不规则运动，气体的压力只不过是原子对盛器壁的冲击，为同一定律提供了现代的解释。可是在十九世纪以前，原子论并没有被应用到化学上来，因为一般都认为化学家所研究的各种各样物质，都是由各方面都很相同的原子组成；正如波义耳在十七世纪注意到的，这种观点说明不了化学 变化过程的高度特殊性。
为了适应化学的需要，教友派科学家约翰？道尔修改了原子论，他于公元1803年在曼彻斯特文哲学会宣读的一篇论文里，初步地提出了他的理论的纲要，又在公元1808年出版的《化学哲学的新体系》中充分阐述了他的理论。道尔顿是从牛顿的气体由原子组成而原子的相互排斥是随距离的增加而减弱的观念开始的。道尔顿和其他一些人认为这种斥力就是热或者是当时所谓的热素，因为他于公元1801年就已经发现气体的压力直接随气体加热时的温度而增加。法国的盖－吕萨克（Gay-Lussac，公元1778年－1850）于公元1802年也观察到同样现象，后来发现法国查理（Charles）于公元1787年在盖－吕萨克和道尔顿之前就已经先提出了，以后这条气体体积随温度膨胀的定律就象现在这样叫做查理定律。道尔顿很注意气象学的问题，特别是大气性质的问题；在十九世纪初人们已经知道大气是由几种成分组成的，主要是氧、氮和水气。大气是均匀的，但是在道尔顿看来，如果气体相互排斥，空气的各个组成成分就应该分离出来。为了解决这一困难，道尔顿提出不同化学物质的原子并不是一样的：它们形成不同的品种，同一物质的原子相互排斥，但不同物质的原子相互并不排斥。因此他于公元1802年写道：“当两种有弹性的流体A和B混合在一起时，它们的微粒之间并不相互排斥；A微粒之间相互排斥，但并不排斥B微粒。因此加在一个微粒上的压力或者重量，完全来处与它相同微粒。”
这样道尔顿就得到他的分压力定律，即一个混合气体的总压力是每一种气体各自压力的总和。换言之，混合在一起的同不气体相互没有影响，正如道尔顿的朋友亨利说的：“每一种气体对任何别的气体说来都是一种真空”。
道尔顿的见解对于化学家说来，其重要性在于原子现在有了不同的类型，任何一种元素的原子都是一样，并且都带有这种元素自身的特性，而不同元素的原子则互不相同。道尔顿认为不同元素的原子在大小、重量和每一单位体积内的数目都各自不同，而当两种元素合成一种化合物时，第一种元素的每一个原子和第二种元素的一个或小整数个的原子结合在一起。道尔顿提出后面假设的理由是，他发现当两种元素结合成不止一种化合物时，A元素和B元素化合的确定重量总是简单的整数比。以道尔顿亲自研究的氮的氧化合物为例，他发现氧和一定数量的氮的合成比例总是1∶2∶4.这就是道尔顿在公元1804年发表的倍比定律，它使原子论似乎可信了。它还表明一种元素的原子并不总是和另一种元素的一个原子化合；在某些情况下，也可以同两个、三个、四个或更多的原子化合。
道尔顿指出，鉴别不同元素原子的一个重要特征是它们的相对重量，所以他在公元1803年以氢元素单位列出第一张这样的重量表。各个元素的当量重量，即对于确定化合物化合时的重量，它们可以由直接测量业决定，而且如果在所有相应的事例里能知道一种元素有几个原子和另一种元素的一个原子化合，就可以从这种测算推出元素的原子量来。当时还没有一种方法能估计出这种化合的原子数目，所以道尔顿只假定“当两种物体只能有一种化合形式时，那就必须假定这里的化合是二元性的，除非存在着某种与之相矛盾的原因”。也就是说，应当假定这种化合物只含有每一种元素的一个原子；这个假说后来证明不能成立。
盖－吕萨克于公元1808年为原子的化合数目给出了一个提示。他发现两种气体化合时，这两种气体的体积形成简单的整数比，而且如果产物也是气体时，它们和产物的体积也是简单的整数比。道尔顿认为两种元素化合时，它们的原子数形成简单的整数比，所以，这样看来很可能两种化合气体体积的比，和组成它们的原子的结合比是一样的。意大利都灵大学的物理学教授阿伏伽德罗（Avogadro，公元1776－1856）于公元1811年更进一步设想同样体积的不同气体，在同样的温度和压力下，含有同等数目的微粒。安培（Ampère，公元1775－1836）于公元1814年也提出同样的假说。阿伏伽德罗的假说引起了一个困难，即一体积的氢和一体积的氯化合时，产生了两体积的氯化氢，这就意味着氢原子和氯原子在化合过程中都分裂为两半。为了克服这一困难，阿伏伽德罗于是假定氢、氯和其他气体的元素微粒都是含有两个元素原子的分子，而当两种气体化合时，这些元素分子就分裂开来，形成每种元素有一个原子存在在于其中的化合分子，就象氯化氢中的氢和氯那样。
阿伏伽德罗的假说很可以为决定元素原子的结合数提供一个普遍的方法，但是直到十九世纪六十年代以前，它并没有为人们广泛接受，因为这个假说要求同一元素的原子应当合成分子。道尔顿和其他一些人都反对这种见解，因为他们坚认同类原子必然相互排斥，而不能结合成分子。还有，道尔顿自己就认为，不同种类的原子不但原子量不同，而且大小以及处于气体状态时每单位体积内的数目也不同。盖－吕萨克的结合体积定律意味着同样体积的不同气体含有同样数目的微粒，但是道尔顿开头却不相信这条定律的正确性。后来实验的证据逼得他接受盖－吕萨克定律，可是他始终否定阿伏伽德罗假说的正确性。
早期的原子论认为自然界的基本粒子是一式一样的，这种思想仍继续存在，甚至通过假定各种化学元素的不同原子全是由同样的原始物质组成和新的原子学说结合起来。伦敦皇家学会的亨弗利？載维写道：“古代哲学家认为物质只有一种，物质的各种化学性质就象其机械形式一样，都是由物质微粒的不同排列所致，……这种思想是卓越的，而且得到牛顿的肯定。”
如果以氢的原子量作为一个单位。有若干元素的原子量都接近整数，所以一个伦敦的医生威廉？普劳特（William Prout，公元1785－1850）于公元1815年提出其他元素的原子也是由数目各自不同的氢原子组成。格拉斯哥大学的化学教授托马斯？汤姆生（Thomas Thomson，公元1773－1852）如此地被普劳特的这一假说吸引住，以致他把自己测定的原子量全都修改为整数。可是瑞典人雅各？柏齐力阿斯和比利时人詹？斯塔司（Jean Stas，公元1813－1891）的研究，表明元素的原子量并不精确地是氢原子量的整数倍，虽则有些原子量很接近整数。
大约从公元1820年到公元1860年止，原子论在化学上的地位并不怎样突出。因为绝大部分化学家都愿意采用直接测量出的元素当量，而不采用原子量，因为原子量牵涉到原子合成数不确定的估算。由于人们拒绝接受阿伏伽德罗的假说，化学家就没有一种测定元素原子化合数的普遍方法，可是有些特殊方法却被人们发展出来，而为那些对测定原子量仍旧感兴趣的化学家们所采用，主要是柏齐力阿斯和斯塔司。这些方法使用起来非常有效，柏齐力阿斯在十九世纪三十年代制定的原子量表，和我们今天使用的非常相似，只有银和碱金属算是例外。盖－吕萨克根据他的化合体积定律提出，碰到气体元素时（但不是它们的化合气体），相同体积应当含有相同数量的原子。柏齐力阿斯接受了盖－吕萨克的原则，并倚靠这条原则给若干化合物定出其化学式，如现在所采用的那样。他认为一个水分子含有两个氢原子和一个氧原子，因为两体积的氢和一体积的氧化合成水。另一方面，道尔顿则认为一个水分子含有一个氢原子和一个氧原子，他根据的原则是把一切化合物都规定为二元化合物，除非有某种好的理由才会出现矛盾。
公元1819年，柏齐力阿斯的一个学生米修里希（Mitscherlich，公元1794－1863）注意到化学式相同的化合物具有同样的结晶形。这就是他的同晶形定律；依靠这条定律，柏齐力阿斯能够决定许多盐类的化学式和它们组成元素的原子量，不过米修里希后来证明他这条定律有许多例外。同年，杜隆（Dulong，公元1785－1838）和珀替（Petit，公元1791－1820）在巴黎发现，就若干金属而言，它们的原子量和比热的乘积是一个常数 ；所谓比热是使单位重量的金属升高一度所需要的热量。杜隆－珀替定律，使人们得以大致定出金属的原子量数值，但是柏齐力阿斯没有采用这条定律，认为它并不普遍正确。正由于他拒绝接受杜隆－珀替定律，所以柏齐力阿斯规定的银原子量和碱金属原子量与现代的数值不同，因为他认为这些原子的化合数是二，而不是如今天所认为的是一。柏齐力阿斯象盖－吕萨克及道尔顿一样，也否定可以为他的研究提供普遍准则的阿伏伽德罗定律，理由是他认为同类原子相互排斥，因此不能结合成分子。道尔顿曾经设想每一个原子都被一层热气包围着，使原子排斥相同的原子，但不干扰不相同的原子。柏齐力阿斯主张一种类似的但比较发展了关于原子的相吸和相斥的电荷学说，因为这时候，电化学的新分支已经发展，并为化学的亲合力提供另一种理论。
在十八世纪，电对生物的作用，特别是电激作用，引起人们很大的兴趣；同样，生物所显示的电现象，例如电鯆的刺人，也使人感到兴趣。意大利波伦亚大学的解剖学教授伽伐尼（Galvani，公元1737－1798）于十八世纪八十年代也研究了这样的课题，注意到蛙腿放在两块不同金属之间时，其肌肉－神经部分就会扭动。他觉得这是生物学上的一种电现象，蛙腿象电鯆一样会发出电来。他的同时代人，意大利帕维亚大学的一个物理学教授伏打（Volta，公元1745－1827），设想这可能是一种物理的电现象，而蛙腿只是两块不同金属连接起来产生电的一种敏感的验电器。伏打用一对对不同的金属进行实验，发现有些金属搭配起来比别的金属的效应大，这就支持了他的想法。他发现，采用一系列这样的金属对可以产生相当大的电效应，比得上磨擦发电机所显示的电效应，特别是把每一交替的金属对用酸润湿之后，效应更加显著。最后于公元1799年伏打发现把两块不同的金属浸在酸液里并把外电路联结起来，就会产生相当大的电流。这样他就发明了靠金属溶解在酸液里的化学作用发电的伏打电池。
在有了伏打电池可以随意发电之后，人们就看出反过来电也可以引起化学作用。在公元1800年，两个英国人尼科尔森（Nicholson）和卡莱色尔（Carlisle）用两根金属丝浸在水里通电，发现水就分解为水的氢元素和氧元素。次年，新被聘任来主持皇家学会化学讲座的亨弗利？戴维，着手对盐液和固体化合物类似的电解进行了一系列的研究。公元1807年，他电解了苛性碱，获得碱金属钠和钾，后来又得到碱土金属钙、锶、钡，这些全都是新元素。这些和其他一些研究使戴维得出下列的理论，即促使元素形成化合物的化学吸引力主要属于电性的，这也就是柏齐力阿斯从公元1811年以来所发展的一种看法。说也凑巧，德国的浪漫派自然哲学家鉴于化学化合物必然是两种对立的实体的联合，也以臆测的方式发挥了同样的见解，认为这两种对立的实体就是带有正电荷和负电荷的物体。戴维的朋友柯勒里奇（Coleridge，公元1772－1834）于公元1798－1799年游历德国，把谢林的学说带到英国，并在皇家学会讲授。戴维本人也多少是一个浪漫派，写了不少的诗，在当时还相当流行。
可是使化学亲合力的电荷学说能支持一个时期的还是戴维和柏齐力阿斯的那些实验研究。柏齐力阿斯注意到，在化学化合物被电解时，一组元素或者化学族──主要是氢、金属和碱类──都跑到电流的负极一头去，而另一组元素氧、非金属元素和酸类则跑到正极的一头去。他称第一组为正电性元素或正电性族，设想它们都带有正电荷，所以被吸引到电解池的负极去，第二组他称为负电性元素，因为他假定这些都带有负电荷。柏齐力阿斯认为化合是一种正电性元素和一种负电性元素的相互电力吸引所致，两者结合之后，两种对立的电荷就有部分被中和了。余下的电荷使这个化学族和另一组类似但电荷相反的化学族形成一个比较复杂然而比较松弛的化合物，这种复杂的化合物比其组成的族更接近于中性。这就是称为化合物二元说的观点；由于它假定有两种基本上不同的元素类型和它们的组合，它和阿伏伽德罗的假说是不相容的；因为同一元素的原子具有同样电荷，并相互排斥，所以同样的原子就不能如阿伏伽德罗所设想的那样形成二元的分子。
化合物的二元说在无机化学领域内并不是不适用的，因为当时知道的矿物化合物都是相当简单的，可以理解为带有相反电荷的元素或者元素组合的结合。无机化学在公元1790－1830年间，即地质学的“英雄时代”，发展得非常之快，因为地质学家发现了许多矿物可供化学家去分析。柏齐力阿斯自己就描述了在公元1810－1820年的十年间所作的制备、提炼和分析两千种以上的无机化合物的情形。在有机化学的领域内，情形就有点两样了。矿物化合物可以从它们所含元素的相对数量进行鉴别，但是有机化合物从一开头就可以看出是少数几种元素的复杂编排，主要是碳、氢、氧、氮，所以定量分析在鉴别这些化合物上并不能有多大成果。实际上，有些叫做同分异构的化合物，其元素成分完全一样，但性质则非常不同；同分异构体的特性看来并不是由所含元素原子的数目，而是由元素原子的排列决定的。这个问题在原子论于公元1808年被人提出的一开始，就被英国化学家武拉斯顿（Wollaston，公元1766－1828）预见到，但是直到十九世纪三十年代有机化学兴起以前，都没有受到人们太多的注意。
有机化学的发展和德国化学的兴起正处在同一时候，两个德国人，弗里德里希？维勒（Friedrich Wohler，公元1800－1882）和尤斯托斯？冯？李比希（Justus von Liebig，公元1803－1873）对这门学科作出了一些早期的重要贡献。在十九世纪早期的一、二十年中，大陆上名列前茅的化学家是柏齐力阿斯和盖－吕萨克。阿比希去巴黎企图进多种工艺学院跟盖－吕萨克学习，维勒则去斯德哥尔摩大学跟柏齐力阿斯学习。李比希和维勒对当时的矿物化学都很熟悉，但是他们研究的问题却接触到有机化学的边缘。公元1824年李比希造出一种化合物雷酸银，和维勒制成的一种化合物氰酸银在成分上完全一样，但性质却迥然不同。这种现象在有机化学上发现非常普遍，柏齐力阿斯也碰到同样的事例，所以他于公元1830年创造了同分异性一詞来描述他在洒石酸盐和外消旋盐中所发现的相似的情况。
公元1828年维勒发现了同分异性的另一事例。他制成一种主要被认为属于无机性的化合物氰铵，但是发现氰酸铵放在水溶液里加热后，却经过重排成为一种熟知的有机化合物尿素。在这以前，有机化合物只能从生物中找到，可是现在看来它们也可以从无机原料中制造出来了；维勒的这一发现使得当时流行的有机化合物只能由生物的活力产生出来的见解变得无力了。柏齐力阿斯直到公元1819年还以为有机化合物不遵守定比定律，而不属于正规化学所固有的，因为它们是活力的产物。现在有机化学和无机化学变得更加接近了，所以化学家们变企图把化学化合的二元说扩大到有机的领域里来。公元1832年李比希和维勒证明用苦杏仁油可以造出一整个系列的有机化合物，这些化合物都含有一个共同的有机基团和不同的无机基团，这种系列从形式上看非常相似于由一种酸和各种碱形成的一组无机盐。可是，看上去这种有机基团或者有机基可以和带正电荷的氢或者带负电荷的氧同样地化合得很好。还有，法国多种工艺学院的杜马（Dumas，公元1800－1884）于公元1834年发现有机基内部带正电荷的氢可以用带负电荷的氯取代，而且基本上不改变有机基或其化合物的化学性质。
二元说在有机化学里推行得愈远，情况就变得愈加复杂和混乱。维勒于公元1835年写信给他的教师柏齐力阿斯说：“有机化学当前足够使人发狂。它给我的印象就好象是一片充满了最最神奇事物的原始热带森林；它是一片狰狞的无边无际的使人没法逃得出来的丛莽，也使人非常害怕走进去。”
维勒自己就放弃了有机化学的研究，而回到他在斯德哥尔摩学到的矿物分析上去。但是李比希则坚持研究有机化学，并且训练了帮助解决这门学科的许多问题的第二代学家，例如本生、霍夫曼、凯库勒和维尔茨等人；为了研究化学，霍夫曼放弃学习法律，凯库勒则放弃了建筑学。李比希还否定了柏齐力阿斯的电荷二元说，而接受和这种学说对立的结构类型理论；这种理论是杜马于公元1840年提出，而为热拉尔（Gerhardt，公元1816－1856）和罗朗（Laurent，公元1808－1853）发展起来的；罗朗为了进行教学，在巴黎办了一个小的化学实验室。杜马提出，有机化合物的化学性质是由它们的特殊结构排列或者类型决定的，而不是由于组成它们的元素的电荷特性。他坚持一切具有同样结构类型的化合物应当显示同样的性质：一种元素可以置换另一种元素，但是只要结构排列的完整性保持不变，化合物的性质就不会有很大改变。杜马发现醋酸里四分之三的氢都可以代之以一种很不同的元素氯，然而得出的化合物仍保留醋酸的属性。但是维勒仍旧坚持他教师的二元说，讽刺杜马的理论说，应当可以用氯把醋酸里所有的原子都换掉，既换掉氢，也换掉碳和氧，这样化合物全部成了氯，然而仍保留醋酸的特性。
有机化学家一般都接受类型说，而那些一心想提高化学理论的矿物化学家则接受二元说。总的说来，十九世纪第二个二十五年中的化学家都比较不侧重理论，特别是无机化学家。甚至杜马在发展他的类型说时，也只采用可以直接测量的当量概念，而不采用原子概念。公元1840年他写道，具有同样结构类型的化合物，是“那些含有同数当量以同样方式结合起来，并具有同样基本性质的化合物”。但是类型说却重新刺激了化学理论的发展，因为要发现一个化学分子的结构，就必须知道它的组成原子的结合数目。这样一来，决定一种元素的一个原子可以和另一种元素的多少原子结合的问题，又被提到日程上来了，而在十九世纪早期这个问题大体已被人们放弃了。随着这个问题的提出，原子论复活起来了，它在当时已经退居到化学理论的幕后去了。
计算原子的化合数或者如他们所称的原子价的问题，由李比希的两个学生作了研究，首先是爱德华？弗兰克兰德（Edward Frankland，公元1825－1899）；他在公元1851年被聘任为曼彻斯特新创办的欧文学院的化学教授；另一个则是奥古斯特？凯库勒（August Kekule，公元1829－1896）；他在海德贝尔格大学、根特大学和波恩大学先后都担任过教职。弗兰克兰德研究了金属和准金属的有机化合物，于公元1852年发现每一种金属原子只能和完全确定数目的有机基团化合，这个数目他称之为元素的原子价或价。他看出元素分为具有同样原子价的许多族，例如，锑、砷、磷、氮，一般的化合数都是三或五。有机化合物中最重要的元素是碳，约从公元1857年起凯库勒就提出，每一个碳原子可以和四个别的原子或者四个原子团化合。在这个基础上，凯库勒设计了一些有机化合物的结构模型，并用这些模型来解释这些化合物的反应。可是这种原子价和结构的概念并不是恰当的定义，因为迄今为止还没有一个普遍的标准可以用来定出一个原子的化合数。凯库勒在公元1861年谈到这个时期时写道：“除掉关于重量以及气体体积有所谓定比和倍比定律外，化学至今还没有发现什么精确定律……全部的所谓理论概念都只是含有可能性或方便性的一些观点。”
这时候有机化学却发展得相当地快，而这门学科愈来愈需要有一种关于分子结构的理论，所以决定元素的原子价问题就变得非常迫切。德国的化学家，特别是凯库勒，于公元1860年在卡尔斯鲁厄召开了一个化学家的会议，企图解决原子价的问题。大概有一百四十名的化学家出席了会议。从法国来了杜马和维尔茨，从英国来了弗兰克兰德和罗斯科，德国是全体出动，李比希、维勒，和他们的几个比较重要的学生，科尔比、本生、凯库勒，从俄国来的是门得列耶夫，从意大利来的是坎尼扎罗。坎尼扎罗（Cannizzaro，公元1826－1910）充满了当时的民族感，断言他的本国人阿伏伽德罗约在半世纪以前就已经解决了决定原子价和原子量的问题。与会的化学家并不相信他的话，一直到会议结束，问题仍旧没有解决。可是坎尼扎罗印发了一本小册子，充分阐明他的见解，这些小册子代表们都带了回去。坎尼扎罗指出，根据阿伏伽德罗的假说，一个化合物的分子量是化合物蒸汽密度的两倍，在测量时以氢作为相对单位，因为氢分子含有两个原子，而不同气体或蒸汽在同样体积中含有同等数目的分子。蒸气密度是很容易测量出来的，因此含有同样元素的若干化合物的分子量也可以测量出来。坎尼扎罗论证说，这样某一元素的原子量就是这一元素在其一系列化合物中的最低重量，也是这个元素在其一系列化合物中重量的最低公差。
坎尼扎罗的小册子和遵循小册子进行的研究工作，不久便使大多数化学家相信阿伏伽德罗的假说是普遍正确的。开头人们认为这个假说有些例外，如杜隆和珀替的原子热法则和米修里希的类质同晶定律，但是这些反常现象被发现是由于这些例外的化合物在气体状态时分裂所致。阿伏伽德罗的假说给予元素以确定的原子量；在原子量确定以后，通过元素原子量等于元素克当量和原子价乘积的关系，就很容易确定各个元素的化合数。几种元素原子价的值一旦解决，它们化合物的结构模型就可以构造出来了。这些化合物的化学反应对这些结构提供了验证，而反过来这些结构又指明了可能出现的新化学反应。由于受过建筑师的训练，凯库勒很善于辨识化合物的可能分子结构；苯是六个碳原子和六个氢原子组成的，对于这个困难的分子结构，凯库勒于公元1865年提出了六边形环式。公元1848年，巴斯德分离出洒石酸的两种同分异构形式，后来又有些其他的旋光异构化合物发现。为了说明这些，勒贝尔（Lebel，公元1847－1930）和范霍夫（Van't Hoff，公元1852－1911）于公元1874年同时提出碳原子的四个价在空间里指向一个正四面体的四个顶角，为古典的分子学说作了最后的补充。这些旋光异构的化合物的两种形式的化学性质完全相同，所不同的是一种使偏振光线的偏振面向右转，另一种则使偏振面向左转。勒贝尔和范霍夫指出，在所有这些事例里，一个中心的碳原子可以接上四个不同的基团，而如果碳原子的四个价是指向四面体的四个顶角的话，这些基团就可以有两种不同的排列，这样就说明了同分异构性。
接受了阿伏伽德罗的假设，随着确立了元素的确定的原子价和原子量以后；这不但影响了有机化学，对无机化学也产生了影响。看上去各种同价的元素都形成天然的族或者组，这一事实使化学家开始注意到元素的分类。人们早已知道有些元素相互之间有联系，并形成一类。德国耶拿大学的化学教授约翰？多培赖纳（Johann Dobereiner，公元1780－1849）于公元1817年证明钙、锶、钡的原子量大致形成一种算术级数，而巴黎大学的巴拉（Balard， 公元1802－1876）于1826年发现溴时，就根据溴的化学性质预言氯、溴、碘将形成另一个算术级数，后来柏齐力阿斯证明这近似是正确的。在十九世纪的三十年代和四十年代原子论还湮没不彰时，这种根据元素的原子量对元素进行分类的工作并不怎样引起人们太多的注意，只有杜马试行根据元素的性质和反应把元素分为天然的族；他把硼、碳、硅放在一组，把氮、磷、砷放在另一组。
当元素的原子量和原子价最后在十九世纪六十年代被固定下来之后，有好几个把元素分为若干有联系的组的新尝试；主要是法国的坎古杜瓦（Chancourtois）于公元1863年，伦敦的纽兰兹（Newlands）于公元1864年，特别是德国的洛特？迈耶尔（Lothar Meyer，公元1830－1895）和俄国的门得列耶夫（Mendeleef，公元1834－1907）于公元1869年发表的那些分类。迈耶尔和门得列耶夫提出了周期律，确定元素的性质随着它们的原子量以周期性的方式变化着；他们并且列出一张元素的周期表来说明这条定律。早期的化学家企图把已知的元素进行全面的分类，纽兰兹就是一个最突出的例子；在这样做时，他们不得不把一些元素硬扯在不规则的关系里。迈耶尔，特别是门得列耶夫，强调指出周期表应当有些空白地位留给未发现的元素，门得列耶夫并且高度准确地预测了这些还没有下落的元素的性质，后来它们全部都被发现了。
周期分类法为寻找新元素提供了第一个理论上的向导。拉瓦锡知道的二十三种元素是依靠用反复地试探研究其特殊化学反应而发现的。实用化学分析变得比较系统化，而在用来分析地质学家所提供的矿石样品时，在公元1790－1830年间就发现了三十一种新元素。在公元1830年到公元1860年间，除掉莫桑得尔（Mosander）部分地分离出一些稀土元素外，新元素的分离和鉴定很少取得什么成就；莫桑得尔是柏齐力阿斯在瑞典乌普萨拉大学的继任者。可是在公元1859年，化学家本生（Bunsen，公元1811-1899）和物理学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，公元1824-1887）两人都在海德尔贝格大学创制了分光镜。有了分光镜以后，从火焰的特殊颜色就可以检查和鉴别化学物质了。本生用这种分光镜于公元1860-1861年发现了新的碱金属铯和铷。在伦敦，威廉？克鲁克斯爵士（Sir William Crookes，公元1832-1919）于公元1861年用分光法发现了铊元素，弗赖堡矿业学院的费丁南？赖赫（Ferdinsnd Reich）则于公元1863年从同样方式发现碘。寻找周期表上空缺元素的尝试提供了下一步的发现。公元1874年，法国的布瓦博德朗（Boiabaudran）发现镓，即门得列耶夫预言的准铝；而斯堪的纳维亚的化学家尼尔逊（Nilson）则于公元1879年发现钪，或准硼；最后是弗赖堡 矿业学院的文克勒（Winkler）于公元1885年分离出锗，或准硅。
周期表上元素的有秩序排列提醒了某些化学家，各种不同元素可能存在着某种共同的东西；它们可能来自同一根源，或者由同一基本物质的单位组成。普劳特善于不同元素的原子都是由整数个氢原子构成的假说又复活了，而且在十九世纪的最后二十年中，正如威廉？克鲁克斯爵士说的：“在科学界甚嚣尘上”。克鲁克斯在英国科学促进协会公元1886年的会议上提出，元素是由他称作不可分单元的某种原始物质发展起来的。他说普劳特假说含有真理，但是这种真理却为“我们没有能够消除的某些剩余的或者附带的现象遮盖起来了”。在英国，科学促进协会于公元1894年又召开会议时，索尔兹伯里勋爵（Lord Salisbury）断言在元素里面“并列族的发现指明存在着一个共同的来源”。1901年雷利勋爵（Lord Rayleigh，公元1842-1919）指出元素的原子量趋向于更加接近整数，这比指望这些原子量作任意分配的可能性要大到一千倍以上，这使得上述观点更为加强。因此他说：“比起许多普遍认为有问题的历史性事件来，我们有许多强有力的理由相信普劳特假说稍加修改以后，是一项真理。”
为了考察普劳特假说的正确性，雷利勋爵从公元1890年起在剑桥大学对各种气体的密度作了一系列研究。在进行这些研究时，他于公元1892年发现大气里氮的密度比通过化学方法制得的氮的密度重。在所空气取样中的氮和其他活性气体除掉以后，雷利和伦敦的威廉？拉姆赛（William Ramsay，公元1852-1919）就得到一种少量的新气体；这种新气体在化学上呈惰性而且比氮要重，其比例是20：14.克鲁克斯检查这种气体的光谱，证明它和任何已知元素的光谱都不相同。所以它是一种新元素氩，是发现的第一种惰性气体。公元1895年，拉姆赛从铀矿石获得另一种惰性气体，被克鲁克斯又拿来作光谱检查。他证明这种惰性气体的光谱线和公元1868年日食时法国的詹森和英国的洛克耶两位天文学家在太阳的光球层所观察到的谱线是一样的；他们把这些谱线归之于太阳里的一种元素氦，当时在地球上还没有发现这种元素。最后在公元1898年，拉姆赛又从液体空气部分蒸发后的较重剩余部分里分离出另外三个惰气，氖、氪、氙；这种液体空气是英国的汉普森和德国的林德三年前首次制成的。
惰性气体被分离出来之后，化学元素的八个主要族或者类的发现就告一结束，不过由于这些族里有些元素尚未发现，所以仍留下一些空位。新元素的进一步发现，而且实际上化学的总发展，都愈来愈依靠物理学了。随着光谱学的进展，物理方法已经进入化学，而这门学科的一项发展，即亨利？莫塞莱（Henry Morseley，公元1888-1915）在曼彻斯特采用的Ⅹ射线光谱学，又最后廓清了一些关于稀土元素和其他重元素可能数目和剩余问题。元素的可见光谱就同它们的化学性质一样被发现为元素原子量的一种周期性函数，但元素的Ⅹ射线光谱线证明是和它们的原子量，或者毋宁说原子序数（即以氢作为一，元素在周期表上的序数），是线性相关的。公元1913-1914年，莫塞莱把元素直到铀为止的绝对数目定为九十二个，证明有十四种稀土金属，而且有七种比铀轻的元素还没有发现。
安东尼？贝克勒尔（Antoine Becquerel，公元1852-1909）于公元1896年在巴黎发现放射性，好象证实了化学家已经怀疑了有相当时期的一件事实，即元素都是派生地联系着的。新的放射性元素，诸如居里夫人（Mme Curie，公元1867-1934）在公元1900年分离出来的镭，就发现会自动分解为别的元素，而这些元素又会进一步衰变为更轻的元素。这些元素都被用化学分析方法分离和确定出来，这样就找出自然放射性衰变的三代元素族。可是，放射现象对物理学家说来更具有重大意义，实际上这种现象也主要是通过原子物理学冲击到化学理论上来的。从二十世纪的第二个十年起，理论化学在原子组成和化学化合这两个方面都变得愈来愈和原子物理学分不开了。在实用方面，原子物理学为化学家提供了新的素材，首先是普通元素的放射性形式，用来找出化学作用的变化过程，其次是比铀重的新元素，从而扩大了元素的周期表。
[英]梅森
