أثناء السبعينيات من القرن التاسع عشر طوّر العالم الأمريكي جوزيا ويلارد جيبس قاعدة الطور والتي تفسر العلاقة الفيزيائية بين أطوار المادة الصلبة والسائلة والغازية. وقد اعتمد الكيميائي الهولندي جاكوب فانت هوف على قاعدة الطور في دراسته للطريقة التي تتكون بها البلورات في المحاليل المختلفة. وقادت الدراسة التي قام بها هوف إلى تطوير الكيمياء الفراغية أو الكيمياء المجسمة التي تدرس ترتيب الذرات في الجزيئات.
في أواخر القرن التاسع عشر توصل الكيميائيان الفيزيائيان السويدي سفانتي أ.أرهينس. والألماني فلهلم أستوفالد إلى أن الكهرباء تنتقل عبر المحاليل بوساطة ذرات أو جزيئات ذات شحنة تسمّى الأيونات. وقد كتب أوستوالد أحد أوائل الكتب المدرسية في الكيمياء الكهربائية وهو دراسة التغيرات الكيميائية المرتبطة بالقوى الكهربائية.
ومنذ أوائل القرن العشرين الميلادي وجه الكيميائيون والفيزيائيون دراساتهم نحو تركيب الذرات والجزيئات. ففي عام 1913م اقترح الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نموذجًا للذرة تنتظم فيه الإلكترونات في مدارات متوالية الاتساع حول نواة صغيرة تتكون من البروتونات والنيوترونات. وقد اعتقد بور بأن العديد من خواص العنصر تعتمد على عدد الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي لذرة ذلك العنصر.
ولقد ساعد نموذج بور للذرة على تفسير الكيفية التي تتفاعل بها الذرات مع الضوء والأشكال الأخرى للإشعاع. فقد افترض بور أن امتصاص وابتعاث (إطلاق) الضوء بوساطة الذرة يستلزم تغييرًا في وضع وطاقة الإلكترون فيقفز من مدار لآخر. وقد استطاع الكيميائيون الحصول على الكثير من المعلومات حول تركيب الجزيئات عن طريق قياس كمية الإشعاع التي تمتصها والتي تنبعث منها.