一个碳原子最多可以和其它四个原子形成组合结构。 在空间中形成一个四面体（有四个相同的面的金字塔）的形式使碳原子在中间排列。这是19世纪末的重要发现。更多碳原子可以直接回相连接，形成如直链和支链分子或有无数的变化形式的环形。小分子构建模块（单体）在一起也可以合成极长的长链（聚合物）。
然而直到得到这个现代的认知程度前， 哲学和科学都走了一段长的，部分是错误的路 。因此在古希腊所有实验都被蔑视。有人认为，真正的认知只能通过观察和理性的分析获得。在公元前400年左右古希腊Abdera的哲学家德谟克利特，根据他的老师Leucippus假定说，整个自然界是由不同的几个最小的，不可分割的单位，他称之为原子组成。与此不同的是，大约50年后，亚里士多德得出结论，所有的物质都仅由四个要素所组成，包括：空气，土，火和水，而这些又是以作为精髓的乙醚为根本。在古代中国哲学家将世界划分为阳 – 阳性的/晴/强 和阴 – 阴性的/黑暗/弱 （醚对应于生命能量“气”），和印度的阿育吠陀观念Pittha，Vatha ，Kappha将人类与自然的分成不同级别（以“普拉纳”作为一个重要的能源）。在古希腊，中国和印度的替代医学的角度来看仍然是常见的。
古代世界中已经有的原子和元素概念在现代科学中也得到应用，即使现在有其它的含义。 然而回到化学上的起源：在中世纪，炼金术士试图将普通金属变成黄金，并且在他们的实验中得出了一系列的新发现（如瓷），但没有达到他们预期的目的。在18世纪后期，科学家开始物质分解和重新组合。 早在19世纪，英国化学家约翰道尔顿，通过物质在化学反应中只在特定的关系中能够进行的观察推断出 原子的存在。道尔顿作为物质原子理论的桂冠开创了一种原子质量的测定方法。 并解释说，每个原子的种类可以完全根据自己的原子量区别开来。但是后者从今天的角度来看是有条件的，因为在化学上，有时有相同种类的原子却有不同的原子量（同位素），而有时有不同原子量的原子却可以是种类相同的原子 。在19世纪化学家弗里德里希沃勒通过他的尿素合成推倒了那时占有统治地位的有机化合物只能在活的生物体被合成，而且是不可能从无生命的物质中生产出有机物质来的理论。
第19届世纪，还产生了各种不同的用天然物质和不同的化学品在高温高压的状态下的发明。 美国查尔斯固特异在1839年发现了一种橡胶硫化技术，一种橡胶式的，弹性材料，当时主要是用来擦除。橡胶是从橡胶树中产出的胶乳中提取的。“硫化”中的固化是将橡胶用热和硫，经过这样的程序使它成为干的，坚韧，的弹性材料，这适合汽车轮胎的制造，随后引起了一场交通革命。仅仅过了一小段时间，于1856年，英国人威廉亨利珀在作从疟疾的药物奎宁苯胺产生焦油的衍生物的实验中，无意中产生了紫红色色素。这个无意的发现使世界范围内开始了强度大的，并导致了很多的合成染料和药品的研究工作。 几乎在同一时间，基础研究人员得到了一些具有决定性的结论，这些结论应该为以后高分子科学打下了基础。德国化学家弗雷德里希凯库勒于1858年发现，一个碳原子可以与多达四个其他碳原子一起结合起来，形成链和指环形，苏格兰化学家阿奇博尔德S.古贝几乎在相同的时间也得到了这个结论。荷兰的雅各H.范特霍夫和法国的约瑟夫乐倍儿、各自独立的提出，一个有碳元素组成的四面体空间，在这个空间中连接到四个角的键形成等同面的金字塔型。知道这个发现使一个立体的有机分子和聚合物结构的理解成为可能。
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