Unsur kimia
Atom unsur berkemurnian kimia dapat berikatan kimia satu dengan lainnya melalui lebih dari satu cara, memungkinkan unsur murni terdapat dalam banyak struktur kimia (penataan ulang spasial atom), yang dikenal sebagai alotrop, yang memiliki sifat berbeda. Sebagai contoh, karbon dapat dijumpai sebagai intan, yang memiliki struktur tetrahedral di sekeliling masing-masing atom karbon; grafit, yang memiliki lapisan atom karbon dengan struktur heksagonal yang ditumpuk; grafena, yang merupakan lapisan tunggal grafit yang sangat kuat; fulerena, yang memiliki bentuk hampir bulat, dan tabung nano karbon, yang berbentuk tabung dengan struktur heksagonal (bahkan inipun berbeda satu dengan lainnya dalam hal sifat listrik). Kemampuan suatu unsur untuk berada dalam lebih dari satu bentuk struktur dikenal sebagai 'alotropi'.
Teori atom
John Dalton mempelajari dan mengembangkan hasil karya sebelumnya dan mengembangkan hukum perbandingan berganda: jika dua unsur dapat digabungkan untuk membentuk sejumlah senyawa yang mungkin, maka perbandingan massa unsur kedua yang bergabung terhadap massa tetap unsur pertama adalah perbandingan bilangan bulat sederhana. Sebagai contoh: Proust telah mempelajari oksida timah dan menemukan bahwa massa mereka adalah 88,1% timah dan 11,9% oksigen atau 78,7% timah dan 21,3% oksigen (masing-masing adalah timah(II) oksida dan timah dioksida). Dalton mencatat dari persentase ini bahwa 100 g timah akan bergabung baik dengan 13,5 g atau 27 g oksigen; 13,5 dan 27 membentuk rasio 1:2. Dalton menemukan bahwa teori atom suatu materi dapat menjelaskan pola umum dalam kimia ini dengan indah. Sehubungan dengan timah oksida Proust, satu atom timah akan bergabung dengan satu atau dua atom oksigen.
Dalton juga percaya teori atom dapat menjelaskan mengapa air menyerap gas yang berbeda dalam proporsi yang berbeda - misalnya, ia menemukan bahwa air jauh lebih baik menyerap karbon dioksida daripada menyerap nitrogen. Hipotesis Dalton adalah karena perbedaan dalam massa dan kompleksitas partikel masing-masing gas. Memang, molekul karbon dioksida () lebih berat dan lebih besar daripada molekul nitrogen ().