“元素”这一概念最早有古希腊哲学家柏拉图提出，后经他的学生亚里士多德进一步明确形成了四要素说，即万物之源是由火、水、气、土四种元素组成的。在过去的两千年里，这一学说曾被许多人奉为真理。后来的医药化学家们又提出了硫、汞、盐的三要素理论，也曾经风靡一时。
通过了一系列实验，波义耳发现传统的元素非真正的元素，并以不含这些“元素”的黄金为例，也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。相反的是，这些传统元素中的盐却可被分解。基于这些发现，波义耳认为元素是那些不能用化学方法再分解的简单物质。他还进一步认识到作为万物之源的元素，既不是如亚里士多德所言的只有“四种”，也不是医学化学家所说的三种，而有许多种。用现代的观点看，波义耳的元素概念实质上与单质差不多。现代元素的科学定义是具有相同核电荷数同一类原子的统称。这种科学认识已是波义耳之后三百多年的事了。
波义耳尤其重视科学实验的思想，并反复强调：“化学，为了完成其光荣而又庄严的使命，必须抛弃古代传统的思辨方法，而像物理学那样，立足于严密的实验基础之上。”他把这些新观点带进了化学界，为化学的健康发展扫平了道路。
除此之外，波义耳还有几项不能磨灭的化学成就。例如化学实验中常用的酸碱指示剂就是因为他的细心观察而发现的。在波义耳的一次紧张的实验中，放在实验室内的紫罗兰，被溅上了浓盐酸，波义耳赶紧把冒烟的紫罗兰用水冲了一下，后发现了深紫色的紫罗兰变成了红色。
这一奇怪的现象促使他进行了许多花木与酸碱相互作用的实验。由此他发现了大部分花草受酸或碱作用都能改变颜色，其中从石蕊中提取的紫色浸液最明显，它遇酸变成红色，遇碱变变成蓝色。利用这一特点，波义耳制成了实验中常用的酸碱试纸——石蕊试纸。
波义耳的晚年是在病榻中度过的。虽然如此，他依然执著于他的实验，并在制取磷元素和研究磷、磷化物方面做出了突出成就，形成了当时关于磷元素性质的最早介绍。波义耳于1691年12月31日病逝。他一生以做实验或撰写论文，为最大的乐趣。
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