Alt materie i er en massiv samling av molekyler. Molekyler er en sammenføyning av to av flere atomer, som er den mest grunnleggende enheten for fysisk materie. Atomer får en annen vekt basert på antall protoner og nøytroner i kjernen og elektroner i den omkringliggende skyen. Den samme elektromagnetiske kraften som holder et enkelt atom sammen kan også holde to eller flere atomer sammen for å danne et molekyl, mens mange molekyler sammenføyes for å danne materie.
Atomer, de grunnleggende bygningsblokkene i livet, består av tre partikler: nøytroner, protoner og elektroner. Det store flertallet av atommassen er funnet i kjernen, i sentrum av atomet, bestående av protoner og nøytroner, mens elektroner skyer området utenfor kjernen. Protoner er positivt ladede mens elektroner er negativt ladede og nøytroner er nøytrale. Et atoms atomvekt bestemmes av antall protoner og nøytroner, mens atomnummeret er lik bare mengden protoner som er tilstede. Selv om elektroner kan variere, i tilfelle av ioner som har elektroner mistet eller fått, og nøytroner kan ikke være til stede, som i hydrogenatomer som ikke har nøytroner, antall protoner i et atom aldri Endringer. Siden elektroner kan skaffes eller gå tapt, og nøytroner kanskje ikke er inkludert, blir elementene identifisert med atomnummer, fordi antall protoner aldri endres. Det periodiske elementet er et diagram som viser alle kjente elementer som eksisterer, delvis ordnet etter antall. Det første og enkleste elementet, hydrogen, med bare ett proton og ett elektron, er atomnummer ett, mens større elementer, for eksempel radium på nummer 88, vises i rekkefølgen av antall protoner.
Molekyler er kombinasjonen av ett eller flere atomer til et bestemt stoff. Kanskje de mest kjente kombinasjonene er vann (H2O), karbondioksid (CO2) og oksygen (O2, mer nøyaktig dioksygen). Den kjemiske formelen til et molekyl (som H2O) viser de spesifikke atomene i stoffet, samt hvor mange av hvert grunnstoff som finnes. Når det gjelder vann (H2O), er det to hydrogenatomer og ett oksygenatom i hvert vannmolekyl. Hvis molekylet skulle miste et av disse atomene, ville forbindelsen opphøre å være vann.
Molekyler holdes sammen fordi de positive og negative delene av atomet (henholdsvis protoner og elektroner) tiltrekkes av hverandre. Disse kalles kjemiske bindinger. Hvert molekyl har en positiv og negativ ende, som sidene av et batteri, som går sammen med andre molekyler for å skape det bestemte stoffet. Når det gjelder vann, tiltrekkes de positivt ladede oksygenatomene av det negativt ladede hydrogenatomet og danner en hydrogenbinding.
Forbindelser er en hvilken som helst kombinasjon av mer enn ett element, slik som hydrogen og oksygen (vann) eller natrium og klor (salt). Mens det bare er 118 kjente elementer, skaper den spesifikke kombinasjonen og atomsekvensen uendelig mange muligheter. For eksempel har den kjemiske forbindelsen etanol, ofte referert til som alkohol, en kjemisk formel av C2H5OH. Mens det er seks hydrogenatomer til stede, er det endelige hydrogen bundet til oksygenatomet. Det er faktisk bindingen av et karbonatom til hydroksylgruppen (OH) som skiller hvilken som helst organisk forbindelse som alkohol, men ikke spesifikt som etanol.
Selv om noen stoffer bare kan bestå av ett grunnstoff, skiller mengden av dette elementet også forskjellige stoffer. Oksygenet som mennesker og andre dyr trenger er kombinasjonen av to oksygenatomer (O2); imidlertid tre oksygenatomer (O3) skaper stoffet ozon, som er en vesentlig del av jordens atmosfære, men kan være giftig for organisk liv.