第四节 化学的确立和长足进步
4.1科学化学的形成
在科学的化学理论建立之前，人们早已提出过关于物质组成的种种学说，例如古希腊的四根说、原子论、亚里士多德的元素说等等。在漫长的历史岁月中，炼金术士们也积累了不少材料。不过直至16世纪，人们的化学知识仍然处于很低的水平，理论上还没有脱出古代的框架，依然笼罩在炼金术的迷雾之中。
近代化学的奠基者玻意耳 玻意耳(Robert Boyle，1627～1691)是英国著名科学家，在物理学和化学上都有重要贡献。他在物理学方面最重要的贡献，是他于1662年发现一定量的气体在保持温度不变时它的压强与体积的变化成反比。因1676年法国科学家马略特(Kdmé Mariotte，1620～1684)也独立地发现了同一定律，马略特的表述更为完整，后来这个定律就被称为玻意耳——马略特定律。在化学方面，他作了许多实验研究，提出了关于物质构成的学说和化学元素的概念。玻意耳的工作使化学走上了科学的轨道。
过去人们只是把化学当作一种“炼金”或者制药和冶金的工艺技术。玻意耳指出，化学应当是一门理性科学，其目标在于发现化学变化的一般原理，他还认为科学化学的基础是实验和观察。“空谈无济于事，实验决定一切。”这是他的名言。既重视理性思维，又强调科学实验，正是那个时代的科学精神。
1661年玻意耳发表了科学史上的名著《怀疑的化学家》，这部书仿效伽利略的著作以对话的方式写成。玻意耳所怀疑的不是别的，就是亚里士多德的四元素说和帕拉切尔苏斯(Paracelsus，1493～1541)的三要素说。玻意耳深受古希腊原子论思想的影响，相信世界上所有物质都由一种细小致密的、不可分割的“原初物体”组成，这些“原初物体”结合成各种“微粒”，然后微粒又以不同的形式结合成各种物质，微粒的运动、形状和配置的状况决定这些物质的物理和化学性质，微粒是这些物质参加化学反应的基本单位。他认为没有必要认定某几种物质为“元素”或“要素”。他在这部著作中所表述的元素概念对于化学成为科学起了重要的作用。他写道：“……我现在所谈的元素，如同那些谈吐最为明确的化学家所谈的要素，是指某些原始的、简单的物体，或者说完全没有混杂的物体，它们由于既不能由其他任何物体混成，也不能由它们自身相互混成，所以它们只能是我们所说的完全结合物的组分，是它们直接复合成完全结合物，而完全结合物最终也将分解成它们。”这里需要注意的是，当时人们还没有“化合”的概念，玻意耳把“化合”称为“复合”或者“混合”，把“化合作用”称为“混成”，把“化合物”称为“复合物”或“完全结合物”，这也反映厂他的机械论倾向。尽管玻意耳的说法有些含混也不完全正确，但这是第一次以比较明确的语言区分了化合物和构成化合物的单质，因此被认为是化学元素概念的最早的科学表述。玻意耳的思想给了当时的学术界以新鲜的气息，不过他的粒子说并不都为那时的科学界所接受。只有同样深受原子沦影响的牛顿全盘接受了他的看法。但是，即使是反对他的人也都受到了他的元素概念的影响。
玻意耳既反对把化学当作纯粹的工艺技术来对待， 又反对以纯粹思辨的方式研究化学，他强调要以科学实验作为研究化学的手段，而且身体力行。他改进了许多当时常用的化学仪器，一生设计和亲自做了成百上千个化学实验。
玻意耳发现了提取磷的方法，研究过酸和碱的性质。他试验过多种动植物浸液对酸碱的颜色反应，注意到所有酸都能使紫罗兰汁液变成红色，而所有碱都能将紫罗兰的汁液变成绿色。由此，他引进了用有机试剂作化学定性分析的重要手段。他描述子许多检验物质的方法，除了过去常用的火法检验之外，他更注重以物质的水溶液来检验的方法，这就使化学分析以利用物质的物理性质为主向以利用物质的化学性质为主转变。玻意耳被公认为是化学定性分析方法的奠基人。
燃烧现象虽早已为人所熟知，第一个以实验方法研究燃烧现象的人则是玻意耳。他曾把金属密封在玻璃瓶里煅烧，在金属变成金属灰(即金属的氧化物)后开瓶称量它的重量，发现金属灰的重量大于原先的金属。玻意耳错误地以为火也是一种微粒，金属燃烧后增重是火透过玻璃壁进入金属内部所致。其实，在煅烧过程中，金属与瓶内空气中的氧化合，因而金属的氧化物比原先的金属重。他虽然十分认真地作他的实验，也知道燃烧需要空气，却忽略了瓶中空气对金属的作用，因而没能揭开燃烧现象的秘密。
4.2原子——分子学说的诞生
从玻意耳到拉瓦锡，化学科学终于找到了正确的方向，并且使人们认识到实验方法和定量分析在化学研究中的重要意义，化学作为一门科学从此大踏步地前进了。
化学基本定律的建立 关于化学反应中的物质守恒思想，在拉瓦锡之前已有人提到过，一些化学家在思考他们的实验时也在实际上运用，但是把它确立为一条普遍定律则应归功于拉瓦锡。他指出：“无论是人工的或是自然的作用都没有创造什么东西，物质在每一化学反应前的数量等于反应后的数量，这可以算是一个公理。”拉瓦锡不仅对此作出了明确的表述，而且以他的实验令人信服地证明了这一定律的正确，从此，化学反应中物质守恒定律便被公认为化学的一条基本定律。
1792年，德国科学家里希特(Jeremias Benjamin Richter，1762～1807)从“化学是数学的一个分支”的思想出发，通过对大量酸碱中和反应的测定，提出于这样的看法：化合物都有确定的组成，在化学反应中，反应物之间必有定量的关系，“如果两种元素生成一种化合物，因为元素的性质总是保持不变的，因此发生化学反应时，一定量的一种元素总是需要确定量的另一种元素。”这就是化学反应当量定律的最早的表述，虽然里希特说的只是酸碱的中和反应，其实它在化学反应中具有普遍的意义。不过当时并非所有化学家都认识到这一点。
17世纪末以来，人们在化学实验中已经逐步地认识到每种化合物都有确定的组成。1799年，法国药剂师普鲁斯特(Joseph Louis Proust，1754～1826)更明确地指出：“两种或两种以上元素相化合成某一化合物时，其重量之比是天然一定的，人力不能增减。”这就是化学定组分定律的原始表述。原先普鲁斯特以为确定的两种或两种以上的元素只能生成一种确定的化台物，后来有人指出，确定的两种或两种以上元素化合时也可能生成不只一种化合物，组成这些化合物的各元素的比例并不相同。不过，对于某一种确定的化合物而言，它的组成则是确定无疑的。普鲁斯特还是第一个科学地区分化合物和混合物的人。他指出，混合物的各种成分可以用物理方法分离开来，而化合物中的各成分只能靠化学方法来分解。正确地区分混合物和化台物在化学发展史上有重要意义。
1789年爱尔兰化学家希金斯(William Higgins，1762?～1825)提出了倍比定律的模糊想法。这个定律的确立则是英国化学家道尔顿(John Dalton，1766～1844)的贡献。他于1804年分析了沼气(甲烷，CH4）和油气(乙烯，CH2＝CH2）了解到其中碳与氢之比分别为4．3：4和4．3：2，由此得知与同量碳相化合的氢重量之比为2：1。根据这些实验结果，道尔顿指出：“当相同之元素可生成两种或两种以上的化合物时，若其中一元素之重量恒定，则其余一元素在各化合物中之相对重量有简单倍数之比。”这就是化学倍比定律。后来还有许多化学家继续就此作实验研究，其结果都表明道尔顿所提出的这个定律是化学物质的普遍规律。
除了上述关于化学物质和化学反应的几条重要定律之外，关于气体的几条定律的发现在化学发展史上也有重要意义。
1787年左右，法国科学家查里(Jacques-Alexandre-Céasr Charles，1716～1823)指出：在压力不变的情况下，气体的体积与温度成正比。后来，道尔顿和法国科学家盖——吕萨克(Joseph Louis Gav-Lussac，1778～1850)等人也都得到了同样的结论。这就是气体膨胀定律，这一定律现在一般称为查里定律或盖——吕萨克定律。
气体分压定律是道尔顿于1802年得出的。这一定律指出：混合气体的总压力是其中每一种气体单独存在时各自压力的总和。
道尔顿的原子学说 化学定组分定律表明所有化合物都有确定的组分。化学反应当量定律和化学倍比定律又指出化学反应中元素间存在着简单的量的比例关系，气体膨胀定律和气体分压定律也向人们暗示了气体可能都是一些粒子。此时，物质微粒的思想又正流行于欧洲。近代原子学说的出现已是顺理成章的事了。
道尔顿出身于一个纺织工人家庭，不曾受过高等教育，他是靠自己坚强的毅力自学成才的，他把自己的成就归结为他的“不屈不挠”。经过深思熟虑，他把元素说与物质微粒的思想结合起来，建立了近代原子学说；他首先考虑的是气体的物理性质，他注意到，如果假定气体都是由小球般的原子所组成，不同的原子组成不同的气体，上述那些气体定律便都能够加以解释。他又进一步思考化合物的问题。他考虑，要是设想元素都由原子组成。那些已经发现的化学定律也就都一目了然。于是他假定，凡是由两种元素组成的化合物的最小微粒都是由两个原子组成的，这样他便很容易地得出不同元素的原子重量之比。道尔顿于1803年公布他的第一张原子量表，这个表于18051年正式出版，后来又屡经修订，多次出版发行，产生了很大影响，以往的原子概念都只是哲学上的推测，而道尔顿的原子则是化学实验的客观实在。
道尔顿原子学说的要点是：
(1)化学元素由非常微小的、不可再分割的物质粒子——原子所组成，原子在所有化学变化中均保持自己的性质；
(2)同一种元素原子的形状、性质、质量都完全相同，不同元素的原子质量不同，原子量是每一种元素的特征性质；
(3)不同元素的原子以简单数目的比例相结合形成化合物。化合物的“复杂原子”(当时还没有“分子”的概念，道尔顿把化合物的分子称作“复杂原子”。)的质量为所含各种元素的原子质量的总和。
化学作为自然科学的基础学科，它所要说明的自然现象的本质就是原子的化合和化分，道尔顿的原子学说正是抓住了化学的核心和最本质的问题，它在化学发展上的意义无论从深度到广度上都超过了燃烧的氧化学说。可以认为，化学的新时代是随着原子论的建立才正式开始的。
不过，道尔顿的学说是有缺陷的，它还需要进一步完善。在道尔顿提出他的原子学说之后不久，盖——吕萨克在研究各种气体物质的化学反应时，发现它们的体积有简单的整数比关系。例如，氢与氧化合成水时，它们的体积比为2：1；一氧化碳与氧化合时，体积比为2；1；氮与氢化台时，体积比为1：3等等。盖——吕萨克综合了他的实验结果，作出了如下结论：“各种气体在相互发生化学反应时，常以简单的体积比相结合。”他想，他的这个结论与道尔顿所说的“化学反应中各种原子以简单的数目比相化合”必有内在联系。他因此而推论：同体积的不同气体中所含的原子数目应该有简单的整数比。于是他提出了这样一个假说：在同温同压下，相同体积的不同气体(无论它是单质或是化合物)含有相同数目的原子。他认为，如果他的这个假说是正确的话，不同气体的比重之比就应当等于它们的原子量之比，人们可以据此以测定各种气体物质的原子量和确定气体化合物中各种原子的数目，这比道尔顿主观地规定原子化合数更为合理。因此，盖——吕萨克把自己的假说看作是对道尔顿的原子学说的有力支持。从盖——吕萨克的推理可以看出，道尔顿所规定的水分子(当时称为“复杂原子”)为HO是不对的。然而，道尔顿本人却反对盖——吕萨克的假说。他认为，已知1体积氯与1体积氢化合生成2体积的氯化氢，如果依照盖——吕萨克的假说，则一个氯化氢“原子”(实为分子)就只含半个氯原子和半个氢原子，这与原子不可分割的概念不相容。其实这是当时人们还没有建立起“分子”的概念所造成的混乱。道尔顿坚持自己的观点，硬说盖——吕萨克的实验结果不可靠。不过后来的事实证明，道尔顿的实验技术远不如盖——吕萨克，盖——吕萨克的假说与事实相符，而道尔顿的学说则必须加以修正和补充。
从阿伏伽德罗到坎尼扎罗的分子学说 使上述疑难得以解决的是意大利科学家阿伏伽德罗(Amedeo Avogadro，1776～1856)。他在盖——吕萨克实验的基础上进行合理的推理，于1811年发表论文提出了“分子”的概念。他认为，原子是参加化学反应的最小质点，单质的分子是由相同元素的原子组成的。化合物的分子则是由不同元素的原子组成的。他根据气体物质反应时具有简单整数比的事实提出“一切气体在相同体积中含有相等数目的分子”的看法。他认为，只要假设每种单质气态分子都含有两个原子，盖——吕萨克的气体反应简单整数比定律和道尔顿的原子学说就能统一起来并得到圆满的解释。阿伏伽德罗以原子——分子假说为依据，测定了气体物质的原子量和分子量，并确定了许多化合物中各种原子的数目。他根据气体反应时的体积比，确定了氨分子的组成为NH3，水分子的组成为H20，这些结论都是正确的。
但是，阿伏伽德罗的正确思想并未为当时的科学界所承认和重视，甚至被冷落了差不多半个世纪。其原因之一是当时的科学发现还不足以对分子的存在作出系统的，明确的论证，阿伏伽德罗的假说也有不完善的地方；另一个重要原因是，在当时化学界中贝采利乌斯(Jons Jocob Berzelius，1779～1848)关于分子构成的电化二元论占据着统治地位，而阿伏伽德罗的分子学说与电化二元论不有相容之处。
1814年，瑞典皇家科学院研究员贝采利乌斯发表了他论述电化二元论的专著，他主张原子化合成分子是正负电荷相吸引的结果。他想象，各种原子都有正负两极，但两极的强弱并不相同，因此就原子整体而言，它们外部所表现的电性也各不相同，如他认为氧是“绝对负性”的，钾则是“绝对正性”的等等。不同原子因其不同的电性而有选择地相互吸引，从而形成各种化合物，按照电化二元论的观点，由于两个同种原子的“电性”完全相同，它们绝对不可能结合成为一个分子，这就与阿伏伽德罗的“单质气态分子都含有两个原子单质气态分子”相矛盾。这时，正值电学的一系列发现使科学家们十分振奋，贝采利乌斯又以原子量的测定以及分析化学和物理化学等方面的杰出工作而享有崇高的威望，人们普遍接受他的观点是很自然的事。
19世纪20年代以后，人们积累了更多的化学知识，实验技术也达到了更高的水平，然而新发现的许多事实运用电化二元论却无法加以解释，尤其是有机化学的发展，更是不断地冲击着贝采利乌斯的学说。那个时候对于如何确定化合物中的原子组成，人们还没有找到公认的合理的方法，原子量的测定仍然没有统一的标准，化学式的运用也很混乱，例如HO既可以代表水也可以代表过氧化氢。这种状况使得当时有些化学家对于测定原子量的可能性都发生了怀疑，甚至有人认为原子学说是否正确也成为问题。许多国家的化学家为此于1860年9月在德国的举行国际会议，希望在原子量、原子价和元素符号上取得一致的意见。会上人们争论得很激烈，有人力主一种元素只能有一种原子量，但也有人认为有机化学和无机化学截然不同，应当各有各的原子系统。会议最后的结论是：“科学上的问题不能勉强一致，只好各行其事!”但是事情发生了戏剧性的变化。当会议散会时，一位意大利化学家散发了他的同胞坎尼扎罗(Stanislao Cannizzaro，1826～1920)的一部著作。坎尼扎罗这部书条理清晰，论证充分，方法严谨，为确定原子量提出了非常合理的，令人信服的途径。坎尼扎罗的意见很快便得到化学界的一致赞许和承认。
坎尼扎罗指出，只要把分子和原子区别开来，并承认阿伏伽德罗早就提出的假说，即等体积气体无论是单质还是化合物，都含有相同数目的分子，而不是含有相同数目的原子，那就可以使测定原子量、分子量和分子组成所得的结果与已知的物理和化学定律相符合。坎尼扎罗采用一系列化合物中某一种元素的最低相对量为该元素的原子量，使原子量的确定有了统一的、合理的标谁，坎尼扎罗的工作使原子——分子学说得以确立，对化学的发展起了很大的促进作用。
4.3有机化学与结构化学的起步
有机化合物主要是指碳氢化合物和它的衍生物，由于这些化合物最初都是从生物机体中获取的，因此人们把这类化合物统称为有机化合物，与原子——分子学说建立的同时，有机化学也逐渐发展成为化学科学的一个重要分支。结构化学所研究的是物质的内部结构状况，这是原子——分子学说确立之后人们必然要思考的问题。结构化学的形成与有机化学的研究密切相关。
从早期的有机化学研究到尿素的合成 有机化学的起步是从有机物提纯、有机物分析和有机物合成开始的。人们早就在实践中掌握了从动植物里提取、分离和制造某些有机物的方法。例如酿酒、制糖、制醋等等，但是人们对有机物的面目却知道得很少。到了18世纪后期，以科学实验为目的的分离和提纯有机物的工作取得了不小的成绩，如舍勒从苹果中析离了苹果酸，从柠檬中析离了柠檬酸，从酸牛奶中得到了乳酸。从尿中得到了尿酸等等。拉瓦锡以燃烧的方法分析有机物，认识到一般取自植物体的物质都含有碳、氢和氧，取自动物体的物质还含有氮。后来，盖—吕萨克、贝采利乌斯和李比希(Justus von liebig，1803～1873)等人通过对蔗糖、乳糖、淀粉、蛋白、明胶等许多有机物的分析，逐步知道了它们是由什么元素和以什么比例组成的，还初步写出了这些有机物的化学式。不过，有机化学的真正起步是从人工合成尿素才开始的。在此之前，生物学界和化学界都广泛流行着一种“活力论”，以为有机物只能在生物体内产生，它具有某种神秘的“活力”，而无机物则是没有“活力”的，人们不可能从无机物制造出有机物来，这就阻碍了人们对有机物的认识。
l824年，德国化学家维勒(Friedrich Wohler，1800～1882)在研究氰作用于氨水时，发现除了生成草酸外，还有一种白色的结晶物，经过实验研究，证明它是有机物尿素。后来维勒又分别用不同的无机物通过不同方法合成了尿素。维勒在1828年发表的论文中说：尿素人工制成的重大意义在于“它提供了一个从无机物人工制成有机物并确实是所谓动物体上的实物的例证。”尿素的合成，表明无机物与有机物之间并没有不可逾越的鸿沟，从此开始子对有机物的广泛研究，同时也为有机物的合成开辟了广阔的前景。在维勒之后，人们又相继合成了醋酸、葡萄酸、柠檬酸、苹果酸以及油脂类、糖类等许多重要的有机化合物。
有机结构理论的发端 人们认识的有机物越来越多，就希望能从理论上加以概括。而且，人们要制造更多更好的有机物产品，也迫切需要理论的指导，仅仅知道一些有机物质的成分和组成已经远远不够了。现在人们需要回答的问题是：有机物质有哪些种类，有机物中的各个组分为什么要以一定的比例结合，以及有机物的构成等等。
19世纪初，李比希和维勒在多年研究有机化合物的基础上，提出有机化合物是由“基”(或称为“基团”)组成的看法。李比希给“基”下了如下定义：(1)基是一系列化合物中不变化的组成部分；(2)基可以被其他简单物所取代；(3)基与简单物的结合符合当量定律。基团理论归纳了当时已知的一些有机化学事实，它能够解释一些已知的化学反应。在基团理论的影响下，许多化学家都在致力于寻找新的基，研究制备基的反应，为有机化学的发展积累了更多的材料。
进一步的研究发现，有机物的基团在一些化学反应中并不是不变的，尤其是在取代反应中，一些基团中的氢可以被其他元素或基团所取代。1834年，法国化学家杜马(Jean-Baptiste-Andre Dumas，1800～1884)比较系统地研究了有机化合物的取代反应，并在此基础上提出了有机物的“类型论”。
杜马之后，当时还很年轻的法国化学家热拉尔(Charles-Frédéric Gerhardt，1816～1856)在前人工作的基础上于1839年把当时已知的有机化合物分为四个基本类型：水型、氢型、氯化氢型和氨型，使类型论发展到比较系统的地步。
原子价概念的建立 人们既然知道化合物有上述这样一些类型，从此就很容易看出：一个氯原子可以和一个氢原子结合，一个氧原子可以和两个氢原子结合，一个氮原子可以和三个氢原子结合。一些化学家就沿着这条思路继续探索。
1852年英国化学家弗兰克兰(Edward Frankland，1825～1899)在研究了许多金属和准金属的有机化合物后发现，每一种金属的原子都只能和完全确定数目的有机基团化合，他把这个数目称为该元素的“化合能力”。
1857年，德国化学家凯库勒(Friedrich August Kekule von tradonitz，1829～1896)在认真地总结和归纳已知的各类化合物之后，提出了含义更为明确的“亲和力单位”概念。他认为不同元素的原子相化合时总是倾向于遵循亲和力单位数等价的原则。凯库勒把氢的亲和力单位数(实际上就是我们现在所说的“原子价”)确定为1，因氯、溴等与氢以1 ：1相化合，所以它们的亲和力单位数也是1；同理，氧、硫是2；氮、磷、砷为3；碳为4。他还认定碳与碳之间可以相互结合成链状(—C—C—C—C—)结构。
1864年德国化学家J．J．迈尔(Julius Lothar Meyer，1830～1895)建议以“原子价”这一术语取代凯库勒所说的亲和力单位，原子价学说从此定型。
“原子价”是化学的基本概念之一，原子价学说揭示了元素化学性质的一个重要方面，阐明了各种元素相化合时在数量上所遵循的规律，为原子量的正确测定和化学元素周期律的发现提供了重要依据，大大地推动了化合物结构理论以至整个化学科学的发展。
立体有机结构理论和苯环结构学说的提出 有机化合物的立体结构首先是在研究旋光异构现象时发现的。1848年法国科学家巴斯德(Louis Pasateur，1822～1895)研究了19种酒石酸盐的结晶，他用人工方法分离出了左旋酒石酸和右旋酒石酸。这两种酒石酸的化学成分完全一样，但是它们的旋光方向却不相同。巴斯德推想，它们的分子结构有可能像人的左右手那样处于镜面对称状态而不能平移叠合。后来其他一些化学家也发现了类似的现象。这
就使人们想到原子在空间里有不同的排布，即所谓“异构现象”。
受到巴斯德等人的工作的启发，荷兰化学家范托夫(Jacobus henricus vant Hoff，1852～1911)于1874年提出碳的四面体构型学说。他考察了碳的异构体的情况时注意到，要是组成分子的原子都在同一平面上，异构体的数目比已知的要多。于是他设想，碳的四个价键不在同一平面上，而是指向一个正四面体的四个顶点，碳原子居于这个四面体的中心。依此所推得的有机化合物的异构体数目便与当时已知的实验事实相一致。碳的四面体结构为日后的结构测定所证实。范托夫当时只根据有限的事实而作出如此大胆的推想实为不易。19世纪以后，煤焦油工业有了很大的发展，人们从煤焦油中提取了大量芳香族有机化合物，如苯、萘、蒽、甲苯、二甲苯等。测定这些有机化合物的结构就成为化学家的迫切任务。
富有想象力的凯库勒经过多次试验和反复的思考，于1865年提出了苯的环状结构的看法，并且得到了许多实验的证明。苯的环状结构的提出，对于芳香族有机化合物的利用和合成都有重要的指导作用。
到19世纪下半叶，有机化学已经有了比较完整的结构理论，在实践上又制造出了成千上万种有机化合物，为人类社会提供了各种各样的药品、染料以及许多工业原料。有机化学在社会生活中发挥了越来越重要的作用。
4.4元素周期律的发现
化学作为科学迈开步伐，便以前所未有的速度向前发展。人们通过对各种物质和元素的分析测定，不仅对已知元素有了进一步的认识，许多前所未知的元素及其性质也相继为人们所知。从18世纪中叶至18世纪末，化学家一共发现了17种化学元素，而19世纪前50年就发现了27种，到1869年人们已知的元素达到了63种，对这些元素的物理和化学性质的研究亦已积累了相当丰富的资料。虽然这些材料还很零散和杂乱，但却促使人们思考：各种壳素之间是否存在着一定的内在联系?地球上究竟有多少种元素？怎样去寻找那些未知的元素?
早期的元素分类工作 19世纪以后，原子量已被公认为元素最重要的特征之一，不少科学家都试图以元素的原子量和它们的性质为依据而进行分类。例如1829年德国化学教授德贝赖纳(Johann Wolfgang D Ö bereiner，1780～11849)以原子量为依据，对已知的54种元素进行分类，把它们分为三组。1862年法国矿物学家德尚库托瓦（Alexandre Emile Béguyer de Chancourtois，1819～1886)首次提出元素的性质随原子量的变化而周期性地变化的观点，他把62种元素以原子量的大小为序标记在一个圆柱体的螺线上，画出了一个螺旋图。从这个图上可以清楚地看出，那些性质相近的元素都出现在同一条母线上。接着，英国化学家奥德林(William Odling，1829～1921)于1864年发表了一个按原子量顺序排列的元素表，他也注意到了元素的性质随原子量的递增而出现周期性变化的现象，因此他在表格的适当地方留下空格给一些尚未发现的元素。他认为，“在表中出现的某种算术上的关系可能纯属偶然”，但也“可能依赖于某一迄今尚不知道的规律。”同年，德国化学家J．J．迈尔也发表了一个“六元素表”，他的看法比较明确，“在原子量的数值上具有一种规律性，这是无疑的。”也是在同一年，英国工业化学家纽兰兹(John Alexander Reina Newlands，1837～1898)同样把已知元素按原子量大小顺序排列，他发现从任一种元素算起，每到第八种元素，它的性质就与第一种元素相近。熟识音乐的纽兰兹借用音乐上的术语，把他所发现的规律叫做“八音律”。但是当时的化学家并不都赏识他的工作。当纽兰兹在伦敦化学学会上展示他的表格时，就有人嘲讽地问他有没有试过按元素名称的字母顺序来排列他的表格。事实上，纽兰兹的工作表明，这个时候发现化学元素周期律的时机已经成熟。二十多年后，即到了1887年，纽兰兹终于因他的发现而受到英国皇家学会的奖励。门捷列夫确立元素周期律 俄国化学家门捷列夫(ДмитрийИвановичМенлелеев，1834～1907)的工作在元素周期律的确立上起到了决定性的作用。他认真地考察了前人的工作之后，紧紧地抓住原子量这个元素的基本特征，将元素按原子量大小顺序排列，既注意到元素的性质经过一定周期所显示的明显的周期性，还注意到每一周期元素性质的变化也显示一定的规律性。经过反复的思考和核实，门捷列夫于1869年发表了《元素属性和原子量的关系》一文，展示了他第一个化学元素周期表并论述了他的元素周期律的基本观点：
(1)“按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性”。
(2)“原子量的大小决定元素的特征，正像质点的大小决定复杂物质的性质一样”。
(3)“元素的某些同类元素，将按它们的原子量大小而被发现”。
(4)“当我们知道了某元素的同类元素以后，有时可以修正该元素的原子量”。
1871年，门捷列夫又以《化学元素的周期性依赖关系》为题。发表了他的第二个化学元素周期表。他：再次明确指出，元素(以及由元素形成的单质或化合物)的性质与元素的原子量有周期性的依赖关系，元素的性质是元素原子量的周期的函数。他认为，元素在周期表上的位置应当体现元素特性的总和以及该元素同其他元素的联系，门捷列夫按元素周期律大胆地修正了一些元素的原子量，并为未知元素留下了空位。根据未知元素在周期表中的位置及其上下左右元素的性质，门捷列夫预言了它们的物理和化学性质。他留有空位的未知元素有“类硼”、“类铝”，“类硅”等6种。
随后几年，门捷列夫依据他的周期律所作的许多预言得到了证实。1875年，法国化学家布瓦博德朗(Paul Emilelecoqdc Bois-baudran，1838～1912)在研究闪锌矿时用光谱分析法发现了镓(Ga)，并测定和公布了他所得到的镓的各种数据。远在俄国的门捷列夫得知后，立即致信巴黎科学院说镓就是他所预言的类铝，它的原子量接近68，比重是5.9上下而不是4.7，请再加以检验，布瓦博德朗重新测定数据后，果然得出镓的原子量是69.9，比重为5.7。事后他敬佩地说：“我以为没有必要再来说明门捷列夫这一理论的巨大意义了。”后，1879年瑞典化学家尼尔松(Lars Fred Nilson，1840～1899)发现钪(Sc)，1885年德国化学家温克勒尔(Clemens A1exanderWinkler，1838～1904)发现锗(Ge)，他们所测定的这两种元素的原子量和比重，与当年门捷列夫所预言的“类硼”、“类硅”几乎完全符合。从此，门捷列夫的化学元素周期律得到了世界的公认。
化学元素周期律的发现，是人类关于自然界的知识的又一个层次的伟大综合。它把原先彼此孤立的各种元素的知识综合起来，形成为有内在联系的统一的体系，为研究化学元素和化学变化过程提供了重要的依据，是化学发展史上的重大事件。元素周期律更使人们意识到原子必有内部结构，为日后人们进一步揭开原子内部的秘密作了必要的准备。不过需要指出的是，门捷列夫建立元素周期律只是以往人们关于元素的知识综合的结果。并没有理论上的依据，而纯粹以原子量来确定元素的排列顺序也是有问题的，20世纪以后这一切才得以彻底澄清。
