Întreaga materie este o colecție masivă de molecule. Moleculele sunt o îmbinare a doi dintre mai mulți atomi, care sunt cea mai de bază unitate a materiei fizice. Atomilor li se conferă o greutate diferită în funcție de numărul de protoni și neutroni din nucleu și de electroni din norul din jur. Aceeași forță electromagnetică care menține un singur atom împreună poate, de asemenea, să țină doi sau mai mulți atomi împreună pentru a forma o moleculă, în timp ce numeroase molecule se unesc pentru a forma materia.
Atomii, elementele de bază ale vieții, constau din trei particule: neutroni, protoni și electroni. Marea majoritate a masei atomului se găsește în nucleu, în centrul atomului, constând din protoni și neutroni, în timp ce electronii înnorează zona din afara nucleului. Protonii sunt încărcați pozitiv, în timp ce electronii sunt încărcați negativ, iar neutronii sunt neutri. Greutatea atomică a unui atom este determinată de numărul de protoni și neutroni, în timp ce numărul său atomic este egal cu doar cantitatea de protoni prezenți. În timp ce electronii pot diferi, în cazul ionilor, care au electroni pierduți sau câștigați, iar neutronii să nu fie prezent, ca și în atomii de hidrogen care nu au neutroni, numărul protonilor dintr-un atom niciodată schimbări. Deoarece electronii pot fi câștigați sau pierduți și neutronii nu pot fi incluși, elementele sunt identificate prin numărul atomic, deoarece numărul protonilor nu se schimbă niciodată. Tabelul periodic al elementelor este o diagramă care afișează toate elementele cunoscute care există, parțial aranjate după număr. Primul și cel mai simplu element, hidrogenul, cu un singur proton și un electron, este numărul atomic unu, în timp ce elementele mai mari, precum radiul la numărul 88, sunt afișate în ordinea numărului lor de protoni.
Moleculele sunt combinația dintre unul sau mai mulți atomi într-o substanță specifică. Poate că cele mai cunoscute combinații sunt apa (H2O), dioxidul de carbon (CO2) și oxigenul (O2, mai precis dioxigen). Formula chimică a unei molecule (cum ar fi H2O) arată atomii specifici din substanță, precum și câte dintre fiecare element se găsește. În cazul apei (H2O) există doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen în fiecare moleculă de apă. Dacă molecula ar pierde unul dintre acești atomi, compusul ar înceta să mai fie apă.
Moleculele sunt ținute împreună, deoarece părțile pozitive și negative ale atomului (protoni și, respectiv, electroni) sunt atrase una de cealaltă. Acestea se numesc legături chimice. Fiecare moleculă are un capăt pozitiv și negativ, ca și laturile unei baterii, care se unesc cu alte molecule pentru a crea substanța specială. În cazul apei, atomii de oxigen încărcați pozitiv sunt atrași de atomul de hidrogen încărcat negativ, formând o legătură de hidrogen.
Compușii sunt orice combinație de mai multe elemente, cum ar fi hidrogen și oxigen (apă) sau sodiu și clor (sare). Deși există doar 118 elemente cunoscute, combinația specifică și secvența atomilor creează o cantitate infinită de posibilități. De exemplu, compusul chimic etanol, denumit în mod obișnuit alcool, are o formulă chimică de C2H5OH. În timp ce sunt prezenți șase atomi de hidrogen, hidrogenul final este legat de atomul de oxigen. De fapt, legătura unui atom de carbon cu gruparea hidroxil (OH) diferențiază orice compus organic ca alcool, dar nu în mod specific ca etanol.
Deși unele substanțe pot consta dintr-un singur element, cantitatea acestui element distinge, de asemenea, diferite substanțe. Oxigenul de care au nevoie oamenii și alte animale este combinația a doi atomi de oxigen (O2); cu toate acestea, trei atomi de oxigen (O3) creează substanța ozon, care este o parte esențială a atmosferei Pământului, dar poate fi toxică pentru viața organică.