Alle Materie darin ist eine riesige Ansammlung von Molekülen. Moleküle sind eine Verbindung von zwei oder mehr Atomen, die die grundlegendste Einheit der physikalischen Materie sind. Atome erhalten je nach Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern und Elektronen in der umgebenden Wolke ein unterschiedliches Gewicht. Dieselbe elektromagnetische Kraft, die ein einzelnes Atom zusammenhält, kann auch zwei oder mehr Atome zu einem Molekül zusammenhalten, während sich zahlreiche Moleküle zu Materie verbinden.
Atome, die Grundbausteine des Lebens, bestehen aus drei Teilchen: Neutronen, Protonen und Elektronen. Der überwiegende Teil der Masse des Atoms befindet sich im Kern, im Zentrum des Atoms, bestehend aus Protonen und Neutronen, während Elektronen den Bereich außerhalb des Kerns trüben. Protonen sind positiv geladen, Elektronen sind negativ geladen und Neutronen neutral. Das Atomgewicht eines Atoms wird durch die Anzahl der Protonen und Neutronen bestimmt, während seine Ordnungszahl nur der Menge der vorhandenen Protonen entspricht. Während Elektronen unterschiedlich sein können, können im Fall von Ionen, bei denen Elektronen verloren oder aufgenommen wurden, und Neutronen nicht vorhanden sein, wie bei Wasserstoffatomen, die keine Neutronen haben, die Anzahl der Protonen in einem Atom nie Änderungen. Da Elektronen gewonnen oder verloren werden können und Neutronen möglicherweise nicht enthalten sind, werden Elemente anhand der Ordnungszahl identifiziert, da sich die Anzahl der Protonen nie ändert. Das Periodensystem der Elemente ist ein Diagramm, das alle bekannten Elemente anzeigt, die teilweise nach Nummern geordnet sind. Das erste und einfachste Element, Wasserstoff, mit nur einem Proton und einem Elektron, hat die Ordnungszahl eins. während größere Elemente, wie Radium bei Nummer 88, in der Reihenfolge ihrer Anzahl von. angezeigt werden Protonen.
Moleküle sind die Kombination eines oder mehrerer Atome zu einer bestimmten Substanz. Die vielleicht bekanntesten Kombinationen sind Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2, genauer gesagt Sauerstoff). Die chemische Formel eines Moleküls (z. B. H2O) zeigt die spezifischen Atome in der Substanz sowie die Anzahl der einzelnen Elemente. Bei Wasser (H2O) befinden sich in jedem Wassermolekül zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Würde das Molekül eines dieser Atome verlieren, wäre die Verbindung kein Wasser mehr.
Moleküle werden zusammengehalten, weil sich die positiven und negativen Anteile des Atoms (Protonen bzw. Elektronen) anziehen. Diese werden chemische Bindungen genannt. Jedes Molekül hat ein positives und ein negatives Ende, wie die Seiten einer Batterie, die sich mit anderen Molekülen verbinden, um die jeweilige Substanz zu bilden. Im Fall von Wasser werden die positiv geladenen Sauerstoffatome vom negativ geladenen Wasserstoffatom angezogen und bilden eine Wasserstoffbrücke.
Verbindungen sind jede Kombination von mehr als einem Element, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff (Wasser) oder Natrium und Chlor (Salz). Obwohl nur 118 Elemente bekannt sind, schafft die spezifische Kombination und Abfolge der Atome unendlich viele Möglichkeiten. Zum Beispiel hat die chemische Verbindung Ethanol, allgemein als Alkohol bezeichnet, die chemische Formel C2H5OH. Während sechs Wasserstoffatome vorhanden sind, ist der letzte Wasserstoff an das Sauerstoffatom gebunden. Es ist eigentlich die Bindung eines Kohlenstoffatoms an die Hydroxylgruppe (OH), die jede organische Verbindung als Alkohol, aber nicht speziell als Ethanol unterscheidet.
Obwohl manche Stoffe nur aus einem Element bestehen können, unterscheidet die Menge dieses Elements auch verschiedene Stoffe. Der Sauerstoff, den Menschen und andere Tiere benötigen, ist die Kombination von zwei Sauerstoffatomen (O2); aus drei Sauerstoffatomen (O3) entsteht jedoch die Substanz Ozon, die ein wesentlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist, aber für organisches Leben giftig sein kann.