Az ismeretek rendszerezése, csoportosítása mindig segít a megértésben. Így van ez az anyagi világot alkotó különböző elemek esetében is. A XVIII. században a különböző elemekről, vegyületekről felgyülemlett információk sokasága a tudósokat arra késztette, hogy rendszerezzék ezt a tudáshalmazt.

Az elem fogalmának megszületése után teljesen kézenfekvő volt, hogy ezeket a kémiai szempontból legegyszerűbb anyagokat tekintsék a kémiai rendszerezés alapegységének. Ahogy az élővilágban a fajokat, úgy az élettelen természetet tanulmányozva az elemeket is különböző elvek szerint próbálták csoportosítani, rendszerbe foglalni.
Az elemek mesterséges rendszereiben önkényesen kiragadott szempontok (pl. szín, szag, keménység, reakciókészség) szerint csoportosították az elemeket. Szempontként a vegyészek elsősorban a kémiai tulajdonságokat tartották fontosnak. A tulajdonságok, jelenségek okát csak az anyag szerkezetének ismeretében lehet megmagyarázni. Az atomokat felépítő elemi részecskéket azonban csak a XIX. és a XX. század fordulóján kezdték felfedezni. (A neutront csak 1932-ben fedezte fel James Chadwick, angol fizikus.)

Az elemek, pontosabban az elemi állapotú anyagok közül mint anyagféleséget a XVII. századig csupán tizenhármat ismertek. Ezek: a szén (C), a kén (S), a vas (Fe), a réz (Cu), a cink (Zn), az arzén (As), az ezüst (Ag), az ón (Sn), az ólom (Pb), az antimon (Sb), az arany (Au), a higany (Hg) és a bizmut (Bi). 1669-ben fedezték fel a foszfort, majd a XVIII. században ezt sorra követték az újabb és újabb eredmények. A XVIII. század végére már megduplázódott, a XIX. század közepére pedig megnégyszereződött az ismert elemek száma.

Dimitrij Ivánovics Mengyelejev orosz tudós 1869-ben közzétett tanulmányában atomszerkezeti ismeretek nélkül megsejtette azt a természetes rendszert, amely logikus egységbe foglalja az összes ismert elemet.
Mengyelejev készülő tankönyvéhez kívánta rendszerbe foglalni az akkor ismert elemeket. Ehhez – egy zseniális ötlettel – relatív atomtömegeik szerint rakta sorba az elemeket. Észrevette, hogy az így elkészült sorban az egymás utáni elemek tulajdonságai ugyan eltérnek egymástól, de a tulajdonságok újra meg újra visszatérnek.

Dobjunk egy-egy főzőpohárban vagy üvegkádban lévő desztillált vízbe kis darab, megtisztított felületű lítiumot, nátriumot, illetve káliumot. Figyeljük meg, mi történik!

Mindhárom fém a víz tetején úszkál, közben sistergés hallatszik, mert gáz fejlődik. A kálium esetében a reakció olyan heves, hogy a fejlődő gáz meggyullad, és ibolya színű lánggal ég.

A nátrium (_¹¹Na) előtt és utána is találunk olyan fémet, amelynek hozzá hasonlóak a tulajdonságai: kis sűrűségű, a vízzel heves gázfejlődés közben lép exoterm kémiai reakcióba, miközben erősen maró hatású oldat keletkezik. Az ezeket a fémeket követő elemek (pl. a magnézium) csak forró vízzel reagálnak, vagy nem lépnek reakcióba a vízzel, esetleg más típusú kémiai átalakulást szenvednek (nem hidrogéngáz fejlődik, mint például a klór esetében).
A klór (_¹⁷Cl) is megtalálta társait: a fölötte elhelyezkedő, hasonló színű fluort, valamint az alatta lévő, folyékony, vörösbarna brómot és a szilárd, szürkés színű, de könnyen szublimálódó jódot, amelynek lilás gőzeit már Te is ismered. Valamennyien a konyhasóhoz hasonló anyaggá alakulnak az előbbiekben említett káliummal, illetve nátriummal, ezért sóképző, ún. halogén elemeknek nevezik őket.

Az orosz kutató szétdarabolta a felírt elemsort, és egymás alá helyezte a “szakaszokat”. Az egymás alá került elemek több tulajdonságukban hasonlónak mutatkoztak.

Annak alapján, hogy az elemek főbb tulajdonságai az alájuk kerülő elemeknél újra meg újra, periódikusan megismétlődnek, az általa létrehozott táblázatot periódusos rendszernek nevezte el.

A ma legelterjedtebben használt, ún. hosszú periódusos rendszerben is periódusnak nevezzük az elemek egy-egy vízszintes sorát. Az egymáshoz hasonló tulajdonságú, a táblázatban egymás alá került elemek oszlopait egy-egy csoportnak nevezzük. Például a lítium, a nátrium és a kálium az I. főcsoportba, az alkálifémek csoportjába, a halogénelemek a VII. főcsoportba tartoznak.

Mengyelejev zseniális tudósként megsejtette, az atomtömeg valamilyen – akkor még nem ismert – törvényszerű megjelenési formáját.

“Könnyen feltételezhető, de ma még nem lehetséges annak bizonyítása, hogy az egyszerű testek atomjai bonyolult anyagok, amelyek még kisebb részekből (végső alkotórészekből) jöttek létre, s az, amit oszthatatlannak (atomnak) nevezünk, csupán a szokásos kémiai eszközökkel nem osztható tovább.”

A tudós ezért merészen módosított a sorrenden, ahol az a hasonló tulajdonságú elemcsoportok létrehozása szempontjából fontos volt. Például fölcserélte egymással a jódot (I) és a tellúrt (Te), mivel tulajdonságaik alapján így kerültek a megfelelő oszlopba.

Mengyelejev merész jóslatokat is megkockáztatott az addig még fel nem fedezett elemekkel kapcsolatban. Előre megadta várható relatív atomtömegüket, sőt fizikai és kémiai tulajdonságaikat is. A kérdőjellel megjelölt helyeken az akkor még nem ismert galliumnak és germániumnak a Mengyelejev által megjósolt atomtömegét tüntettük fel.

Lothar Julius Meyer (1830–1895) német vegyész Mengyelejevvel szinte egyidőben – szintén tankönyvírás közben – jött rá a periodicitásra. Mengyelejev azonban néhány hónappal megelőzte. Ráadásul Meyer nem volt elég vakmerő, így tartózkodott az olyan jóslásoktól, mint amilyeneket Mengyelejev tett.