İçindeki tüm maddeler büyük bir molekül topluluğudur. Moleküller, fiziksel maddenin en temel birimi olan iki atomun daha birleşmesidir. Atomlara, çekirdekteki proton ve nötron sayısına ve çevreleyen buluttaki elektron sayısına göre farklı bir ağırlık verilir. Tek bir atomu bir arada tutan aynı elektromanyetik kuvvet, bir molekül oluşturmak için iki veya daha fazla atomu bir arada tutabilirken, çok sayıda molekül bir araya gelerek maddeyi oluşturabilir.
Yaşamın temel yapı taşları olan atomlar üç parçacıktan oluşur: nötronlar, protonlar ve elektronlar. Atomun kütlesinin büyük çoğunluğu, atomun merkezinde, proton ve nötronlardan oluşan çekirdekte bulunurken, elektronlar çekirdeğin dışındaki alanı bulanıklaştırır. Protonlar pozitif yüklü iken elektronlar negatif yüklü ve nötronlar nötrdür. Bir atomun atom ağırlığı, proton ve nötron sayısı ile belirlenirken, atom numarası sadece mevcut proton miktarına eşittir. Elektronlar farklı olabilirken, elektronları kaybetmiş veya kazanmış iyonlar söz konusu olduğunda ve nötronlar farklı olabilir. nötronu olmayan hidrojen atomlarında olduğu gibi mevcut değildir, bir atomdaki proton sayısı asla değişir. Elektronlar kazanılabilir veya kaybedilebilir ve nötronlar dahil edilemeyebileceğinden, elementler atom numarası ile tanımlanır, çünkü proton sayısı asla değişmez. Periyodik element tablosu, var olduğu bilinen tüm elementleri kısmen sayılara göre düzenlenmiş olarak gösteren bir çizelgedir. Sadece bir proton ve bir elektron içeren ilk ve en basit element olan hidrojen, atom numarası birdir, 88 numaralı radyum gibi daha büyük öğeler, sayıları sırasına göre görüntülenirken protonlar.
Moleküller, bir veya daha fazla atomun belirli bir maddede birleşimidir. Belki de en iyi bilinen kombinasyonlar su (H2O), karbondioksit (CO2) ve oksijendir (O2, daha doğrusu dioksijen). Bir molekülün kimyasal formülü (H2O gibi), maddedeki belirli atomları ve her bir elementten kaç tane bulunduğunu gösterir. Su (H2O) durumunda, her su molekülünde iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu vardır. Molekül bu atomlardan birini kaybederse, bileşik su olmaktan çıkar.
Moleküller bir arada tutulur çünkü atomun pozitif ve negatif kısımları (sırasıyla protonlar ve elektronlar) birbirini çeker. Bunlara kimyasal bağlar denir. Her molekülün, belirli bir maddeyi oluşturmak için diğer moleküllerle birleşen bir pilin kenarları gibi pozitif ve negatif bir ucu vardır. Su durumunda, pozitif yüklü oksijen atomları, negatif yüklü hidrojen atomuna çekilir ve bir hidrojen bağı oluşturur.
Bileşikler, hidrojen ve oksijen (su) veya sodyum ve klor (tuz) gibi birden fazla elementin herhangi bir kombinasyonudur. Bilinen sadece 118 element varken, atomların özel kombinasyonu ve dizisi sonsuz miktarda olasılık yaratır. Örneğin, yaygın olarak alkol olarak adlandırılan kimyasal bileşik etanol, C2H5OH kimyasal formülüne sahiptir. Mevcut altı hidrojen atomu varken, son hidrojen oksijen atomuna bağlanır. Aslında herhangi bir organik bileşiği alkol olarak ayırt eden, ancak spesifik olarak etanol olarak ayırt etmeyen şey, bir karbon atomunun hidroksil (OH) grubuna bağıdır.
Bazı maddeler tek bir elementten oluşabilse de, o elementin miktarı da farklı maddeleri ayırt eder. İnsanların ve diğer hayvanların ihtiyaç duyduğu oksijen, iki oksijen atomunun (O2) birleşimidir; bununla birlikte, üç oksijen atomu (O3), Dünya atmosferinin önemli bir parçası olan ancak organik yaşam için toksik olabilen ozon maddesini oluşturur.