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In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde die klassische Chemie vollendet. Den Anorganikern gelang die Systematisierung der Elemente im Periodensystem. In der organischen Chemie erkannte man die Vierwertigkeit des Kohlenstoffs und die daraus resultierende tetraedrische Konfiguration des Kohlenstoffatoms. Die verschiedenen Formen der Isomerie und ihre Bedeutung wurden nachgewiesen und richtig interpretiert, darunter auch das Schlüssel-Schloss-Prinzip enzymatischer Reaktionen. Die Physikochemiker formulierten die Hauptsätze der Thermodynamik und begründeten die chemische Kinetik.
Die fundamentalen naturwissenschaftlichen Entdeckungen führten auch dazu, dass großtechnische Prozesse immer besser beherrscht wurden und riesige Gewinne abwarfen. Die Verfahren zur Herstellung von Stahl und Schwefelsäure wurden revolutioniert. Eine besondere Entwicklung nahm die organische Synthesechemie durch die erfolgreiche technische Realisierung der Synthesen von Farbstoffen wie Indigo oder Arzneistoffen wie Aspirin. Dadurch bedingt erfolgte die Gründung vieler großer Chemieunternehmen wie der BASF und der BAYER AG, die heute noch führende Unternehmen in ihrer Branche sind.

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.