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Die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts stand ganz im Zeichen der Kernphysik und der Quantenchemie. Die neu entdeckten radioaktiven Strahlen ermöglichten neue Experimente, die zur rasanten Weiterentwicklung des Atommodells von RUTHERFORD (1911) über BOHR (1913) bis hin zum modernen quantenmechanischen Atommodell (1927) führten. Das verbesserte Verständnis der Struktur der Materie wird auch an der Weiterentwicklung der Bindungstheorie deutlich.
Durch kernchemische Experimente wurden neue Elemente entdeckt, darunter das hoch radioaktive Plutonium. Während des 2. Weltkriegs stellten sich Chemiker und Physiker in den Dienst des Militärs und entwickelten neue Sprengstoffe, giftige Kampfstoffe sowie die erste Atombombe.
Biochemiker erkundeten die Strukturen von Naturstoffen und konnten diese nach und nach im Labor synthetisieren. Beispiele sind die Eiweiße, die Vitamine und die Hormone, deren Wirkprinzipien in biochemischen Prozessen erkannt wurden. Außerdem gewann die Synthese von Arzneistoffen (Antibiotika, Schmerzmittel etc.) zunehmend an Bedeutung und wurde ebenfalls industriell durchgeführt.
Die chemische Industrie erlebte einen ungeahnten Aufschwung, da neben Medikamenten auch der Bedarf an Erdölprodukten stieg. Diese wurden sowohl zu Kraftstoffen verarbeitet als auch zu den neuen Werkstoffen des 20. Jahrhunderts, den makromolekularen Kunststoffen. Das Zeitalter der Plaste, Elaste und Kunstfasern begann in den 30er-Jahren mit der Beherrschung der großtechnischen Synthesen von PVC, Nylon, Polyurethanen und Siliconen.

Zur dritten Hauptgruppe gehören die Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium und Thallium. Während Bor überwiegend nichtmetallische Eigenschaften aufweist, sind Aluminium, Gallium, Indium und Thallium Metalle. Sie werden auch Erdmetalle genannt.

Aluminium ist nach Eisen das zweitwichtigste Gebrauchsmetall, sein großer Vorzug gegenüber Eisen und Stahl ist sein geringes Gewicht.

Wasserstoffbrückenbindungen und verschiedene Arten von VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen fasst man unter dem Begriff zwischenmolekulare Wechselwirkungen zusammen. Insbesondere Wasserstoffbrückenbindungen spielen eine bedeutende Rolle in der Natur. So ist die für die Entwicklung des Lebens auf der Erde wichtige Anomalie des Wassers maßgeblich auf Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen zurückzuführen. Auch die Struktur von Proteinen und die sichere Speicherung der Erbinformation hängen von dieser besonderen Wechselwirkung zwischen Teilchen ab.