原子结构
道尔顿（）于 19 世纪初提出的早期原子理论认为原子不可分割，解释了当时已知的定比定律、质量守恒定律，并推断了倍比定律（law of multiple proportions）——对于两种元素 组成的不同化合物，能与给定质量的 化合的 的各个质量互为简单整数比，即，对于此类化合物，我们能计算出每单位 所对应的 的质量，这些质量可成整数比。
例如，测定两种化合物中碘和氟的质量分别为 及 ，则两种化合物每克碘（给定碘质量为 ）对应的氟的质量分别为 。要找到其整数比，分别将得数除以结果当中的最小值：
乘以公因数：
即，上述两种化合物中，对于单位质量的碘，各化合物中对应的氟的质量的比值为 。
电荷（electric charge）表示基本粒子的一种物理性质，带有电荷的粒子称为带电粒子。物体所带过剩电荷总量称为电荷量，国际单位为库伦（）。汤姆森（）发现高压作用下正负电极间产生辐射——从阴极发出射线，即带负电的粒子流，且这些阴极射线都是一样的，与阴极材料无关。这些粒子现在被称为电子。电子在电场中会发生偏转，在磁场中反向偏转，因此，实验中调节电场和磁场强度可计算出电荷量与电子质量之比为 。汤姆森认为原子质量均匀分布，电子像蛋糕中的葡萄干一样嵌在其中。密立根（）通过 -射线油滴实验推测出单个电子的电荷数为 ，称之为电子电荷。并据此及汤姆森的荷质比计算出电子质量：
目前的原子模型提示原子由亚原子粒子构成。居里（）验证出铀原子自发释放高能辐射并称之为放射性。卢瑟福（）进一步研究放射性现象，揭示了 、 和 三种辐射类型，其实验证实电场使 和 射线发生方向相反的偏转，而不影响 射线。据此可得， 粒子带正电，电荷是 ； 粒子实际上是高速运动的电子流，带负电，电荷是 ； 粒子是一种高能电磁辐射——不依靠物质介质传播的电磁波。
在 粒子穿过金箔片的实验中，几乎所有粒子直接穿过而不偏转，而少数粒子偏转角度很大，因此，卢瑟福提出了原子的原子核模型以解释该结果：原子的质量和正电荷集中在一个直径很小、密度很大的区域——原子核，原子内部大部分空间为空，电子在该空间内绕原子核运动。
我们正在发现越来越多构成原子的亚原子粒子，如夸克、轻子和玻色子。影响化学性质的三种亚原子粒子有：正粒子质子、中性粒子中子和电子。自然界中有四种基本力：引力、电磁力、强核力和弱核力。物体间引力与其质量成正比关系，因此原子及亚原子粒子间引力很小，无化学意义。电磁力是带电或磁性物体间相互吸引或排斥的力，是决定化学性质的重要因素，带电粒子间的电场力大小由库仑定律 得出。因此，原子中的电子在化学反应中起主要作用。强核力束缚原子核中电性相同的质子。
原子和亚原子粒子的电荷量通常表示为电子电荷倍数，而不使用库伦。一个电子的电荷是 ；一个质子的电荷是 ；顾名思义，中子为电中性。原子中，电子和质子数量相同，因此原子也是电中性的。通常使用埃（）表示原子直径，。多数原子直径在 至 间。快速运动的电子云占据原子大部分体积，质子和中子组成的原子核位于原子中心很小的区域，约为 ，且集中原子几乎全部质量。原子质量单位（）用于计量微小质量，定义为 原子质量的 ，即 原子质量为可表示为 ，。质子和中子的质量均约为 。每种元素的原子有其特定的质子数，称为元素的原子序数。同一元素的原子可能有不同数量的中子，因此质量也不同。
元素符号的书写，以碳- 为例：
元素符号左下角为原子序数，可以省略，左上角为质量数——质子数与中子数之和。
相同元素质量数（中子数）不同的原子互称同位素，如 、。
不同元素的原子质量不同。我们定义最轻原子——氢原子相对质量为 ，其他元素原子相对质量均据此确定。原子量表示一种元素的平均原子质量：
元素周期表
随着元素发现，我们试图寻找其中的规律。一些元素有强相似性，将这些元素按原子序数递增的顺序排列，其化学和物理性质会出现重复或周期性规律，例如，稀有气体前都是活泼的非金属，后都是质地软的活泼金属。
元素周期表是组织和记忆化学事实的重要工具。元素周期表的水平横行称为周期，垂直竖列称为族。同族元素性质相似。族以数字加字母 或 命名，如 族。元素周期表左侧多为金属元素，性质相似，如具有光泽、易导电和导热，除 外在室温均为固态。处于金属和非金属分界线的元素性质介于金属与非金属之间，称为类金属。
分子和化合物
分子式（molecular formula）是表示分子中原子实际数量的化学式，而经验式（empirical formula）仅给出相对数量。如，过氧化氢的分子式为 ，经验式为 。分子式比经验式提供了更多信息，但一些分析物质的方法只能得到经验式。
结构式能显示其组成原子的结合方式，但不能表示分子的实际几何形状。透视图中的楔形和虚线表示不在纸面上的化学键，显示出一定空间立体结构。球棍模型显示相连原子间角度，空间填充模型显示原子相对大小。
离子和化合物
原子得到或失去电子生成的带电粒子称离子（ion），其中带正电荷的称为阳离子（cation），带负电荷的称为阴离子（anion）。
钠原子容易失去一个电子，生成有 个质子和（）和 个电子（）的阳离子，其净电荷为 ，表示为 。类似地，氯离子易得到一个电子，形成 离子。金属原子容易失去电子，形成带正电荷的阳离子，非金属原子容易得到电子形成带负电荷的阴离子。因此，离子化合物通常由金属阳离子与非金属阴离子构成。多原子离子，如 和 ，以原子团形式存在。离子表现出的化学性质与相应原子或原子团不同。
族元素称为稀有气体，性质最不活泼，电子排布稳定，可以构成的化合物很少。多数原子可以得到或失去电子，所形成离子的电子数与其在元素周期表中最接近的稀有气体元素电子数相同。即，稀有气体临近元素倾向于获得其相同的稳定电子排布，但部分元素，尤其是金属元素，形成离子后没有稀有气体元素的电子排布。 族元素（碱金属）形成 离子， 族元素（碱土）形成 离子， 族元素形成 离子， 族元素（卤素）形成 离子，其他族不适用该规则。多数过渡金属元素能形成不同电荷数的阳离子，同一元素不同电荷数的离子有不同的性质。
离子化合物如 晶体中，离子按照一定方向排列，没有独立的「分子」，但已知离子的电荷，又因为化合物是电中性的，离子化合物中总正负电荷数相等，因而能够写出其经验式。
无机化合物的命名
化学命名法（chemical nomenclature）以物质分类为基础，无机化合物命名的基本规则有三类：离子化合物、酸和分子化合物。
阳离子
由金属原子形成的阳离子与金属名称相同。若一种金属有不同电荷数的阳离子，则在括号内以罗马数字表示。例如：
非金属原子团形成的阳离子以 -ium 为后缀命名：
阴离子
单原子和部分多原子阴离子以 -ide 为后缀命名：
含氧阴离子中，最常见的形式以 -ate，具有相等电荷而少一个氧原子则以 -ite 为后缀命名：
若元素有四种含氧阴离子，如卤素，则使用 per 和 hypo 前缀：
常见含氧阴离子的组成及电荷与其在元素周期表中的位置有如下关系：
第二周期中的 、 元素含氧阴离子最多有 个 原子，第三周期中的 、 和 元素则最多有 个。从右向左，这些元素的外层电子数减少（氧化态更低），因此离子中保留更多负电荷，电荷数依次增加。
含 的含氧阴离子使用 hydrogen 或 dihydrogen：
离子化合物
离子化合物名称即为阳离子和阴离子的结合：
酸
酸是溶解于水能产生氢离子的含氢化合物，由阴离子和足以平衡阴离子电荷数的氢离子组成。酸的命名方式为：将后缀 -ide 改为 -ic，并使用 hydro 前缀；-ate 改为 -ic，-ite 改为 -ous，然后加上 acid：
二元分子化合物
命名二元分子化合物时，元素周期表左上元素通常写在前面，氧则通常写在后面。第二个元素以 -ide 为后缀，并用如下希腊前缀表示元素原子数。
| 前缀 | mono- | di- | tri- | tetra- | penta- | hexa- | hepta- | octa- | nona- |
|---|
| 含义 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
简单有机化合物
有机化合物指含有碳和氢的化合物。只含碳和氢的化合物称为碳氢化合物（烃，hydrocarbons），其中最简单的为烷烃（alkanes）——每个碳原子与其他 个原子相连，名称以 -ane 为后缀。
官能团表示特定的原子团。当烷烃中有氢原子被官能团取代，则成为其他类型的有机物。如有一个氢被 基团取代后为醇（alcohol），名称以 -ol 后缀。
有相同分子式而排列方式不同的化合物称为结构上的异构体。
有机化合物的数量远超所有其他类型的化学物质，这种丰富性的一个原因是有机物可以形成碳-碳长链并任意延长，且其性质随之改变。