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원자가에 관해 설명하고 체계화하는 것은 19세기 화학자들에게 있어 중요한 과제였다. 원자가의 원인에 대한 만족스런 이론이 없는 가운데 원자가를 연구하는 학자들은 대부분 원소의 원자가를 결정하기 위한 실험적 법칙을 만들어내는 데 집중했다. 특정 원소의 원자 1개가 수소원자와 결합할 수 있는 수 또는 화합물에서 그 원자 대신 수소원자로 치환할 수 있는 특유의 수로 원소의 고유 원자가가 측정되었지만 많은 원소들의 원자가는 화합물에 따라 변한다는 것이 분명해졌다. 1916년 미국의 화학자 루이스는 유기화합물의 화학결합은 2개의 원자들이 각각 1개의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이것을 공유해 결합이 형성되었음을 밝혔다. 루이스는 원소기호 둘레에 원자가전자를 점으로 나타낸 루이스 전자점식을 만들어 전자가 결합에 참여했는지 여부를 표시할 수 있게 하였다.