Изучение простейших химических соединений показало, что элементарные атомы обладают различной способностью к соединению друг с другом, В то время как атомы одних элементов соединяются только с одним атомом другого для образования вполне определенного химического соединения, существуют и такие элементы, атом которых способен соединяться с двумя, тремя и четырьмя атомами других. Отсюда возникло учение об атомности элементов, или валентности атомов, по которому атом каждого элемента обладает определенной предельной способностью к соединению с атомами других элементов. За единицу сравнения был принят атом водорода. Те элементы, один атом которых способен соединиться только с одним атомом водорода, получили название одноатомных, или одновалентных, другие, по тому же принципу — двухатомных, трехатомных и т. д.
Существование многоатомных элементов, способных соединяться с несколькими атомами других элементов, и объясняет образование сложных химических соединений.
Осваивание атомистических представлений давалось с трудом самим ученым. Еще труднее они усваивались студентами и широкой публикой. Для лекционных иллюстраций Кекуле предложил пользоваться изобретенными им моделями. Они состояли из разноцветных деревянных шариков, изображающих атомы, причем прутики, соединяющие шарики друг с другом, соответствовали единицам валентности. Соединяя эти шарики соответственным образом, Кекуле демонстрировал формулы химических соединений. При правильном их применении эти модели, конечно, приносили большую пользу. Однако многие химики возражали против такого рода наглядного метода на том основании, что он может создать неправильное представление о том, что атомы имеют шарообразную форму или что они связаны между собой некими стержнями.
Для этого, кстати сказать, были основания. Карл Шорлеммер в своей известной книге «Возникновение и развитие органической химии» рассказывает такой случай. Одного из учеников Дальтона, применявшего для этой цели квадратные дощечки различных цветов, попросили рассказать об атомной теории. Он ответил так:
— Атомы — это квадратные деревянные брусочки, изобретенные доктором Дальтоном…
Запутан был и вопрос о формулах, которыми принято выражать химическое соединение. Их по-разному писали и по-разному понимали. Окружая химический символ того или другого элемента черточками, предполагалось, что эти черточки говорят о том, как связаны отдельные атомы в молекуле. Но сущность связи оставалась неясной, и под этими черточками одни понимали силу притяжения, которой данный атом удерживает в связи с собой другие атомы и сам удерживается, а некоторые видели в этих черточках указания на способ расположения атомов в пространстве относительно друг друга.
Мало этого, по мнению одних, химические формулы такого рода выражают строение вещества, а по мнению других — лишь ход реакции соединяющихся элементов.
Необходимость договориться, согласовать мнения чувствовалась всеми. Первые попытки такого рода как раз и делались во время пребывания Бутлерова за границей. Существенно важным результатом этих попыток было установление четырехвалентности углерода, то-есть способности атома углерода удерживать в связи с собою четыре атома другого элемента, принятого за одновалентный, как, например, водорода.
Бутлеров, дружески общавшийся со всеми виднейшими химиками того времени и знакомившийся с их новыми работами еще до опубликования этих работ, приписывал честь первого указания на четырехвалентность углерода Кекуле. Но в действительности к тому же заключению, независимо друг от друга, почти одновременно пришли и Герман Кольбе (1818–1884), и Арчибальд Купер (1831–1892), и Эдвард Франкланд (1825–1899), как можно судить по их работам, посвященным развитию той же идеи.
Подобно тому как для кристаллизации перенасыщенного раствора достаточно бросить в него микроскопическую долю растворенного вещества, новые факты, установленные наукой, привели в ясность все догадки Бутлерова, осветили весь хаотический материал, накопленный к его времени органической химией.
Бутлеров начинает по-новому понимать химические превращения и с первых же шагов чувствует под собой твердую почву. Конечно, от установления четырехвалентности углерода до определенной и четкой теории строения молекулы еще очень далеко: надо еще установить характер и способ связи атомов в сложном химическом соединении, выяснить взаимное влияние атомов и прежде всего испытать новую теорию на проблеме изомерии, выяснив причины и виды ее.