1852年，英國化學家弗蘭克蘭通過研究意識到某些元素在有機化合物中表現出一定的“飽和力量”，並把這種想法推廣到無機化學領域，發現“各種元素的原子在形成化合物時總是傾向於與確定數目的其他原子結合，而當處在這種比例中時，其化學親合力得到最好的滿足”。雖然他當時沒有寫出正確的化學式，但已初步有了原子價的概念。
原子價概念的提出
1857年，凱庫勒通過對一係列化學反應的歸納，進一步提出：“化合物的分子由不同原子結合而成，某一原子與其他元素的原子或基團相化合的數目取決於它們的親合力單位數。”“親合力單位數”也就相當於現在所說的原子價。他又根據沼氣型化合物得出結論：碳原子與四原子的氫或兩原子的氧是等價的。他的碳四價學說對有機結構理論的形成起了重要作用。
有機化學結構的重大發展——立體化學
1848年，法國化學家巴斯德在研究酒石酸鹽旋光性的過程中提出它的半麵晶態與旋光性之間存在一定的關係。1863年，德國化學家威斯利采努斯證明，肌肉乳酸和發酵乳酸有相同的化學組成和結構式，但前者為右旋物質，後者無旋光性，他認為“這種差別隻可能是由於原子在空間有不同的排布”。
1874年，荷蘭化學家範托夫和法國化學家勒貝爾分別獨立地提出了碳原子四麵體構型學說：化學結構式還不足以全麵體現出異構現象的各個方麵。1885年，德國化學家拜耳又根據碳原子的四麵體構型推斷出三元、四元、五元碳環化合物的不穩定性，提出了“張力學說”。1890年，薩克斯又針對六元碳環環己烷的穩定性，提出無張力的船式構象和椅式構象的設想（直到1908年才由德國人莫爾所證實），進一步提出了無張力環理論，推動了立體化學的發展。
諾貝爾化學獎的首創獲得者——範托夫
範托夫（1852～1911）是荷蘭化學家。範托夫因發現化學動力學和滲透壓某些定律而於1901年獲得第一個諾貝爾化學獎。
1874年，範托夫在研究有機化合物的三維空間結構（立體化學）時，與勒貝爾各自獨立地發表了一個碳原子具有四麵體結構的概念，碳原子的四個價鍵指向四麵體的四個頂端。在這個概念的基礎上開辟了立體化學的新篇章，在整個化學領域內起著極為重要的作用。他解開了某些有機化合物具有光學活性的奧秘，提出了分子內部存在不對稱因素，從而解釋了這類化合物能使平麵偏振光旋轉的原因。
範托夫還研究了滲透壓現象。他發現溶解在溶液中的物質的滲透壓與理想氣體的壓力相似，遵循同樣的定律。1884年他發表了《化學動力學研究》論文，其中包含化學熱力學的原理。他推導出反應速率的公式，從而可以測定反應的級數。他還將熱力學應用於化學平衡，並提出了近代化學中親和力的概念。1886年他發表了稀溶液理論，說明在稀溶液中分子的運動與氣體之間的相似性。
化學元素周期律的探索
19世紀以來，隨著分析化學的發展、電化學的興起以及光譜學的進步，到1869年已發現了63種元素。關於各種元素物理及化學性質的研究資料也已積累得相當豐富。原子－分子學說到1860年卡爾斯魯厄會議以後，得到了公認。原子量、當量、分子量問的關係經過曲折的發展過程終於得到澄清，很快有了統一正確的原子量。原子價學說的確立又進一步揭示了元素化學性質上的一個極重要的方麵，闡明了各種元素相化合時在數量上所遵循的規律。於是各種元素之間是否存在著內在聯係的問題便引起了科學家們的思考。到了19世紀後期，解答這個問題的時機逐漸成熟。
化學元素周期律的發現者——門捷列夫
門捷列夫（1834～1907）是俄國化學家，他的最大貢獻是發現了化學元素周期律，今稱門捷列夫周期律。1955年科學家們為了紀念元素周期律的發現者門捷列夫，將101號元素命名為鍆。
1869年2月，門捷列夫編製了一份包括當時已知的全部63種元素的周期表。同年3月，他委托緬舒特金在俄國化學會上宣讀了題為《元素的屬性與原子量的關係》的論文，闡述了元素周期律的要點。1871年，他又發表了《化學元素周期性的依賴關係》論文，對化學元素周期律做了進一步闡述。他還重新修訂了化學元素周期表，把1869年豎排的表格改為橫列，突出了元素族和周期的規律性；劃分了主族和副族，使之基本上具備了現代元素周期表的形式。