Toda a matéria é uma enorme coleção de moléculas. As moléculas são a união de dois ou mais átomos, que são a unidade mais básica da matéria física. Os átomos recebem um peso diferente com base no número de prótons e nêutrons no núcleo e elétrons na nuvem circundante. A mesma força eletromagnética que mantém um único átomo unido também pode manter dois ou mais átomos juntos para formar uma molécula, enquanto várias moléculas se unem para formar a matéria.
Os átomos, os blocos básicos de construção da vida, consistem em três partículas: nêutrons, prótons e elétrons. A grande maioria da massa do átomo é encontrada no núcleo, no centro do átomo, consistindo de prótons e nêutrons, enquanto os elétrons nublam a área fora do núcleo. Os prótons são carregados positivamente, enquanto os elétrons são carregados negativamente e os nêutrons são neutros. O peso atômico de um átomo é determinado pelo número de prótons e nêutrons, enquanto seu número atômico é igual apenas à quantidade de prótons presentes. Embora os elétrons possam diferir, no caso dos íons, que têm elétrons perdidos ou ganhos, e os nêutrons podem não estar presente, como em átomos de hidrogênio que não têm nêutrons, o número de prótons em um átomo nunca alterar. Uma vez que elétrons podem ser ganhos ou perdidos e nêutrons não podem ser incluídos, os elementos são identificados pelo número atômico, porque o número de prótons nunca muda. A tabela periódica de elementos é um gráfico que exibe todos os elementos conhecidos existentes, parcialmente organizados por número. O primeiro e mais simples elemento, o hidrogênio, com apenas um próton e um elétron, é o atômico número um, enquanto elementos maiores, como rádio no número 88, são exibidos na ordem de seu número de prótons.
As moléculas são a combinação de um ou mais átomos em uma substância específica. Talvez as combinações mais conhecidas sejam água (H2O), dióxido de carbono (CO2) e oxigênio (O2, mais precisamente dioxigênio). A fórmula química de uma molécula (como H2O) mostra os átomos específicos da substância e também quantos de cada elemento são encontrados. No caso da água (H2O), existem dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio em cada molécula de água. Se a molécula perdesse um desses átomos, o composto deixaria de ser água.
As moléculas são mantidas juntas porque as partes positiva e negativa do átomo (prótons e elétrons, respectivamente) são atraídas uma pela outra. Elas são chamadas de ligações químicas. Cada molécula tem uma extremidade positiva e outra negativa, como as laterais de uma bateria, que se unem a outras moléculas para criar a substância específica. No caso da água, os átomos de oxigênio carregados positivamente são atraídos pelo átomo de hidrogênio carregado negativamente, formando uma ligação de hidrogênio.
Os compostos são qualquer combinação de mais de um elemento, como hidrogênio e oxigênio (água) ou sódio e cloro (sal). Embora existam apenas 118 elementos conhecidos, a combinação e sequência específica de átomos cria uma quantidade infinita de possibilidades. Por exemplo, o composto químico etanol, comumente referido como álcool, tem uma fórmula química de C2H5OH. Embora haja seis átomos de hidrogênio presentes, o hidrogênio final está ligado ao átomo de oxigênio. Na verdade, é a ligação de um átomo de carbono ao grupo hidroxila (OH) que distingue qualquer composto orgânico como álcool, mas não especificamente como etanol.
Embora algumas substâncias possam consistir em apenas um elemento, a quantidade desse elemento também distingue diferentes substâncias. O oxigênio que os humanos e outros animais requerem é a combinação de dois átomos de oxigênio (O2); entretanto, três átomos de oxigênio (O3) criam a substância ozônio, que é uma parte essencial da atmosfera terrestre, mas pode ser tóxica para a vida orgânica.