Toda la materia es una colección masiva de moléculas. Las moléculas son una unión de dos o más átomos, que son la unidad más básica de materia física. Los átomos reciben un peso diferente según la cantidad de protones y neutrones en el núcleo y electrones en la nube circundante. La misma fuerza electromagnética que mantiene unido a un solo átomo también puede mantener juntos a dos o más átomos para formar una molécula, mientras que numerosas moléculas se unen para formar materia.
Los átomos, los bloques de construcción básicos de la vida, constan de tres partículas: neutrones, protones y electrones. La gran mayoría de la masa del átomo se encuentra en el núcleo, en el centro del átomo, formado por protones y neutrones, mientras que los electrones nublan el área exterior del núcleo. Los protones tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa y los neutrones son neutros. El peso atómico de un átomo está determinado por el número de protones y neutrones, mientras que su número atómico es solo igual a la cantidad de protones presentes. Si bien los electrones pueden diferir, en el caso de los iones, que tienen electrones perdidos o ganados, y los neutrones pueden no estar presente, como en los átomos de hidrógeno que no tienen neutrones, el número de protones en un átomo nunca cambios. Dado que se pueden ganar o perder electrones y es posible que no se incluyan neutrones, los elementos se identifican por número atómico, porque el número de protones nunca cambia. La tabla periódica de elementos es un gráfico que muestra todos los elementos conocidos que existen, ordenados parcialmente por número. El primer y más simple elemento, el hidrógeno, con un solo protón y un electrón, es el número atómico uno, mientras que los elementos más grandes, como el radio en el número 88, se muestran en el orden de su número de protones.
Las moléculas son la combinación de uno o más átomos en una sustancia específica. Quizás las combinaciones más conocidas son agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) y oxígeno (O2, más exactamente dióxido de carbono). La fórmula química de una molécula (como H2O) muestra los átomos específicos de la sustancia, así como la cantidad de cada elemento que se encuentra. En el caso del agua (H2O), hay dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno en cada molécula de agua. Si la molécula perdiera uno de estos átomos, el compuesto dejaría de ser agua.
Las moléculas se mantienen juntas porque las partes positivas y negativas del átomo (protones y electrones, respectivamente) se atraen entre sí. Estos se denominan enlaces químicos. Cada molécula tiene un extremo positivo y negativo, como los lados de una batería, que se unen con otras moléculas para crear la sustancia en particular. En el caso del agua, los átomos de oxígeno cargados positivamente son atraídos por el átomo de hidrógeno cargado negativamente, formando un enlace de hidrógeno.
Los compuestos son cualquier combinación de más de un elemento, como hidrógeno y oxígeno (agua) o sodio y cloro (sal). Si bien solo hay 118 elementos conocidos, la combinación y secuencia específicas de átomos crea una cantidad infinita de posibilidades. Por ejemplo, el compuesto químico etanol, comúnmente conocido como alcohol, tiene una fórmula química de C2H5OH. Si bien hay seis átomos de hidrógeno presentes, el hidrógeno final está unido al átomo de oxígeno. En realidad, es el enlace de un átomo de carbono con el grupo hidroxilo (OH) lo que distingue a cualquier compuesto orgánico como alcohol pero no específicamente como etanol.
Aunque algunas sustancias pueden constar de un solo elemento, la cantidad de ese elemento también distingue diferentes sustancias. El oxígeno que necesitan los humanos y otros animales es la combinación de dos átomos de oxígeno (O2); sin embargo, tres átomos de oxígeno (O3) crean la sustancia ozono, que es una parte esencial de la atmósfera terrestre pero que puede ser tóxica para la vida orgánica.
