Hemijski element je čista supstanca koja se sastoji od samo jedne vrste atoma, a karakterizira ih samo njima svojstveni broj protona u jezgrima atoma, što se u hemijskoj terminologiji naziva atomski broj, predstavljen simbolom Z. Maseni broj je zbir broja protona i neutrona u jezgru. Iako sva jezgra svih atoma pripadaju određenom jednom elementu i imaju isti atomski broj, oni ne moraju imati isključivo isti maseni broj. Atomi jednog elementa koji imaju različite masene brojeve nazivaju se izotopi. Naprimjer, svi atomi sa 6 protona u svojim jezgrama su atomi hemijskog elementa ugljika, ali oni mogu imati maseni broj 12 ili 13 (ako su stabilni).
Uobičajeno predstavljanje hemijskih elemenata je pomoću periodnog sistema, u kojem su elementi poredani po atomskim brojevima. Periodni sistem je postavljen u grupe (kolone tabele) i periode (redovi tabele). Periodni sistem je koristan za identificiranje periodnih trendova.

Dvodimenzionalni skeletni model molekule benzena (C6H6) Spoj je čista hemijska supstanca koja se sastoji iz više od jednog hemijskog elementa. Osobine nekog spoja najčešće imaju vrlo malo sličnosti sa osobinama elemenata od kojih su sastavljeni. Međunarodna unija za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC) je postavila sistem standardne nomenklature za sve spojeve. Organski spojevi dobijaju ime u skladu sa sistemom organske nomenklature.[44] Neorganski spojevi dobijaju ime u skladu sa neorganskom nomenklaturom.[45] Osim toga Servis hemijskih sažetaka (Chemical Abstracts Service) preporučuje metod indeksiranja hemijskih supstanci. Po toj shemi, svaka hemijska supstanca se može jedinstveno identificirati pomoću broja poznatog kao CAS registarski broj.

Model štapića i kugle molekule kofeina (C8H10N4O2). Molekula je najmanji pojedinačni dio neke čiste hemijske supstance ili spoja koja i dalje ima jedinstveni skup njenih hemijskih osobina, tj. njen potencijal da učestvuje u određenom skupu hemijskih reakcija sa drugim supstancama. Međutim, ova definicija može se u velikoj mjeri upotrijebiti za supstance koje su sastavljene iz molekula, a što nije tačno za mnoge druge supstance. Molekule su obično skup atoma vezanih zajednom kovalentnim vezama, pa je takva struktura električki neutralna a svi valentni elektroni su upareni sa drugim elektronima bilo u veze ili kao usamljeni parovi.
Stoga, molekule postoje kao električki neutralne jedinice, za razliku od iona. Ako se ovo pravilo prekrši, dajući molekuli neko naelektrisanje, rezultat toga se ponekad naziva molekularni ion ili poliatomski ion. Ipak, diskretna i izdvojena priroda molekularnog koncepta obično zahtijeva da se molekularni ioni mogu nalazi samo u vrlo jasno izdvojenom obliku, kao što njihov usmjereni snop u vakuumu u masenom spektrometru. Nabijena poliatomska kolekcija može biti prisutna u čvrstim tijelima (npr. zajednički sulfatni ili nitratni ioni) a općenito se ne smatra molekulama u hemiji.
Takozvani intertni ili plemeniti gasovi (helij, neon, argon, kripton, ksenon i radon) sastoje se iz pojedinačnih (zasebnih, slobodnih) atoma kao svojih najmanjih jedinica, dok se drugi izdvojenih hemijski elementi sastoje bilo od molekula ili od mreže atoma vezanih jedan na drugi na neki od načina. Molekule grade mnoge supstance iz svakodnevnog života poput vode, zraka i mnogih organskih spojeva kao što su alkoholi, šećeri, benzin i razni lijekovi.
Ipak, sve supstance niti svi spojevi se ne sastoje iz pojedinačnih molekula, a većina čvrstih supstanci koji sačinjavaju čvrstu koru, omotač ili jezgro Zemlje su hemijski spojevi bez molekula. Postoje i druge vrste supstanci, kao što su ionski spojevi i umrežena čvrsta tijela, organizirani na način da u njima nema pojedinačnih, zasebnih molekula (po definiciji molekule). Umjesto toga, takve supstance se posmatraju po pojmovima formulskih jedinica ili jediničnih ćelija kao najmanjih ponavljućih struktura unutar supstance. Primjeri su mineralne soli (poput kuhinjske), čvrstih tijela poput ugljika, dijamanta, metala te uobičajene silike i silikatnih minerala poput kvarca i granita.
Jedna od osnovnih karakteristika molekula je njena geometrija često nazvana njenom strukturom. Dok strukture dvoatomskih, troatomskih ili četvoroatomskih molekula mogu biti trivijalne (linearne, piramidalne i sl.), strukture poliatomskih molekula, koje su izgrađene od više od šest atoma (nekoliko različitih elemenata) može biti vrlo važna za njenu hemijsku prirodu i osobine.
Hemijska supstanca je vrsta materije sa konačnim hemijskim sadržajem i tačno određenim skupom osobina.[46] Kolekcija dvije ili više supstanci naziva se smjesa ili mješavina. Primjeri smjesa su zrak u atmosferi i legure.[47]
Mol je jedinica mjere koja označava količinu supstance (također poznata i kao hemijska količina). Mol se definira kao broj atoma koji se nalazi u tačno 0,012 kilograma (12 g) ugljikovog izotopa 12 (ugljik-12), kada su atomi ugljika-12 nepovezani, u mirovanju i svom osnovom (nepobuđenom) stanju.[48] Broj čestica po molu poznat je i pod nazivom Avogadrova konstanta, a iskustveno je utvrđena da približno iznosi 6,022×1023 mol−1. Molarna koncentracija je količina određene supstance po zapremini rastvora, i obično se izražava u molima po dm−3.

Primjeri promjene agregatnog stanja Pored specifičnih hemijskih osobina koji svrstavaju po različitim hemijskim klasifikacijama, hemikalije mogu postojati u nekoliko agregatnih stanja. U većini slučajeva, hemijske klasifikacije su nezavisne od ovih klasifikacija po stanju, međutim, određene egzotične faze nisu kompatibilne sa određenim hemijskim osobinama. Agregatno stanje je skup stanja hemijskog sistema u kojem on ima slične strukturne osobine, pod određenim uslovima okoline, od kojih su dva najznačajnija: pritisak i temperatura.
Fizičke osobine, poput gustoće i indeksa prelamanja teže da se kreću unutar vrijednosti karakterističnih za određeno agregatno stanje. Stanje materije se definira kao fazni prijelaz, u kojem, kada se energija dovede ili odvede iz sistema, prelazi u "preorganiziranje" strukture sistema, umjesto promjene općenitih uslova. Ponekad distikcija između faza može biti kontinuirana umjesto da ima jasnu granicu, u tom slučaju za materiju se kaže da je u superkritičnom stanju. Kada se tri stanja nalaze istovremeno pod određenim okolnostima, takvi uslovi se nazivaju trojna tačka, a pošto je ona invarijanta, uobičajeno se ona definira kao skup određenih uslova.
Najpoznatiji primjeri agregatnih stanja su čvrsta tijela, tekućine i gasovi. Mnoge supstance mogu postojati u oblika u čvrstoj fazi. Naprimjer, postoje tri faze čvrstog željeza (alfa, gama i delta) koje variraju u odnosu na temperaturu i pritisak. Osnovna razlika između čvrstih faza je kristalna struktura, ili aranžiranje atoma. Druga faza koja se obično javlja u studijama hemije je vodena odnosno tečna faza, koja je stanje supstance rastvorene u vodenom rastvoru (tj. u vodi).
Nešto manje uobičajene faze su stanje plazme, Bose-Einsteinovog kondenzata i fermionskog kondenzata, te paramagnetske i feromagnetske faze magnetičnih materijala. Iako se većina uobičajenih stanja odnosi u trodimenzionalne sisteme, tako je moguće definirati i analoge u dvodimenzionalnim sistemima, koje imaju posebnu pažnju zbog njihove relevatnosti u biološkim sistemima.

Animacija procesa stvaranja ionske veze između natrija (Na) i hlora (Cl) koji daju natrij-hlorid, odnosno običnu kuhinjsku so. Ionsko vezivanje uključuje jedan atom koji prima valentne elektrone od drugog atoma (za razliku od dijeljenja zajedničkih elektrona, koji se javlja kod kovalentne veze Za atome koji spojeni jedni s drugim u molekule ili kristale kaže se da su povezani hemijskom vezom. Hemijska veza se može predstaviti kao višepolna ravnoteža između pozitivno naelektrisanog jezgra i negativnih naelektrisanja koji osciliraju oko njega.[51] Mnogo više od jednostavnog privlačenja i odbijanja, enerigije i raspodjela karakteriziraju dostupnost elektrona u vezi prema drugom atomu.
Hemijske veze mogu biti kovalentne, ionske, vodikove ili jednostavno zbog Van der Waalsove sile. Svaka od ovih veza ima određeni potencijal. Ti potencijali stvaraju hemijske interakcije koje drže atome zajedno unutar molekule ili kristala. U mnogim jednostavnim spojevima, teorija valentne veze, model odbijanja elektronskih parova valentne ljuske (VSEPR) i koncept oksidacijskih brojeva mogu se koristiti u svrhu proučavanja molekularne strukture i sastava.
Ionska veza se gradi kada metal izgubi jedan ili više svojih elektrona, postajući pozitivno naelektrisani kation, a te elektrone prima neki nemetalni atom, postajući negativno naelektrisani anion. Dva suprotno naelektrisana iona privlače jedan drugog, a ionska veza je elektrostatička sila privlačenja između njih. Naprimjer, natrij (Na), koji je metal, gubi jedan elektron i postaje kation Na+ dok hlor (Cl), nemetal, dobija taj elektron i postaje anion Cl−. Ti ioni se drže zajedno zbog elektrostatičkog privlačenja, te se stvara spoj natrij-hlorid (NaCl), odnosno obična kuhinjska so.
U kovalentnoj vezi, jedan ili više parova valentnih elektrona dijele dva atoma: kao rezultat električki neutralna grupa povezanih atoma dobija naziv molekula. Atomi pri dijeljenju valentnih elektrona se postavljaju tako da na taj način stiču elektronsku konfiguraciju plemenitog gasa (tj. osam elektrona u vanjskoj ljusci, koja je najudaljenija od jezgra). Kada atomi teže da se kombiniraju na takav način da svaki od njih ima osam elektrona u svojoj valentnoj ljusci kaže se da oni prate pravilo okteta. Međutim, neki elementi poput vodika i litija trebaju samo dva elektrona u svojoj vanjskoj ljusci da bi dostigli takvu stabilnu konfiguraciju. Za ove atome se kaže da slijede pravilo dueta, te na taj način oni dostižu elektronsku konfiguraciju plemenitog gasa helija, koji ima dva elektrona u svojoj vanjskoj ljusci.
Slično tome, teorije iz klasične fizike se mogu koristiti za predviđanje mnogih ionskih struktura. Kod mnogo složenijih spojeva, kao što su metalni kompleksi, teorija valentne veze se može primijeniti u mnogo manjem obimu i a općenito se uzimaju alternativni pristupi poput teorije molekularnih orbitala.
Kada se hemijska supstanca transformira kao rezultat njenog međudjelovanja sa drugom supstancom ili energijom, kaže se da se odvija hemijska reakcija. Hemijska reakcija je stoga koncept povezan sa "reakcijom" supstance kada dođe u bliski dodir sa drugom supstancom, bilo u obliku smjese ili rastvora, bilo kada je izložena nekom obliku energije ili čak oboma. Kao rezultat hemijske reakcije dolazi do određene razmjene dijela energije između reaktanata reakcije kao i sa okolnim sistemom, koji može biti i određena posuda, poput laboratorijskog posuđa.
Hemijska reakcija može dovesti i do formiranja ili disocijacije molekula, tj. molekule se razbijaju dajući dvije ili više manjih molekula, a s druge strane atomi se mogu i reorganizirati unutar molekule ili među molekulama. Hemijske reakcije obično uključuju stvaranja ili pucanja hemijskih veza. Oksidacija, redukcija, disocijacija, kiselo-bazna neutralizacija i molekularno rearanžiranje su neke od često korištenih hemijskih reakcija.
Hemijska reakcija se simbolično može predstaviti pomoću hemijske jednačine. Dok je u nenuklearnim hemijskim reakcijama broj i vrsta atoma na obje strane jednačine isti, kod nuklearnih reakcija ovo pravilo važi samo za nuklearne čestice tj. protone i neutrone.[36] Redoslijed koraka u koja se može dešavati reorganizacija hemijskih veza u toku hemijske reakcije naziva se mehanizam. Pri planiranju izvođenja neke reakcije, može biti predviđeno njeno odvijanje u nekoliko koraka, svaki od njih drugom brzinom. Tako se tokom reakcije mogu javiti i mnogi međuproizvodi reakcije, više ili manje stabilni spojevi. Mehanizmi reakcije bi trebali pokazati kinetiku i relativni omjer proizvoda reakcije. Mnogi fizikalni hemičari su specijalizirani za istraživanje i proučavanje mehanizama raznih hemijskih reakcija. Za tako nešto otkriveno je mnogo iskustvenih pravila, poput Woodward-Hoffmannovog pravila.
Prema zlatnoj knjizi IUPAC-a, hemijska reakcija se definira kao "proces koji ima za rezultat međukonverziju hemijskih vrsta."[52] U skladu s tom definicijom, hemijske reakcije mogu biti elementarne reakcije i višefazne reakcije. Međutim, napravljeno je ograničenje, takvo da ova definicija uključuje slučajeve kada se eksperimentalno mogu utvrditi međukonverzijski konformeri. Reakcije koje se tako mogu izmjeriti obično uključuju i skup molekularnih entiteta kako je i predviđeno ovom definicijom, ali često je konceptualno uobičajeno da se ovaj pojam koristi i za promjene koje uključuju pojedinačne molekularne entitete (tj. "mikroskopske hemijske događaje").

Struktura kristalne rešetke kalij-hlorida (KCl), soli koja nastaje zbog privlačenja kationa K+ i aniona Cl−. Sveukupni naboj ionskog spoja je i dalje nula. Ion je naelektrisana čestica, bilo da se radi o atomu ili molekuli, koja je dobila ili izgubila jedan ili više elektrona. Kada atom "izgubi" (otpusti) elektron, onda on ima više protona od elektrona, te je atom pozitivno naelektrisan ion odnosno kation. Suprotno tome, kada atom dobije (primi) elektron, onda ima više elektrona od protona, te je on negativno naelektrisani ion odnosno anion. Kationi i anioni mogu formirati kristalnu rešetku neutralnih soli, poput iona Na+ i Cl− koji grad natrij-hlorid odnosno NaCl. Primjeri poliatomnih iona koji se ne razdvajaju tokom kiselinsko-baznih reakcija su hidroksidi (OH−) i fosfati (PO43−).
Međutim, plazma koja se sastoji iz gasovite materije, također se u potpunosti ionizirana, obično zbog ekstremno visoke temperature.
Proučavanjem hemijskih reakcija, hemičari su došli do otkrića o pravilnostima po kojima se one odvijaju. Te pravilnosti nazvane su hemijskim zakonima, koji su postali temeljni koncepti u hemiji. Neki od njih su:
- Avogadrov zakon
- Beer–Lambertov zakon
- Boyleov zakon (1662, veže pritisak i zapreminu)
- Charlesov zakon (1787, veže zapreminu i temperaturu)
- Fickov zakon difuzije
- Gay-Lussacov zakon (1809, veže pritisak i temperaturu)
- Le Chatelierov princip
- Henryjev zakon
- Hessov zakon
- Zakon održanja energije doveo je do važnih koncepta hemijske ravnoteže (ekvilibrija), termodinamike i kinetike.
- Zakon održanja mase kaže da je masa konzervirana u izoliranim sistemima, čak i u teoriji moderne fizike. Međutim, specijalna teorija relativiteta je pokazala da zbog ekvivalencije mase i energije, kad god se nematerijalna energija (toplota, svjetlost, kinetička energija) ukloni iz neizoliranog sistema, zajedno s njom nestaje i određena masa. Veliki gubici energije rezultiraju i gubitku mjerljivih količina mase, što je vrlo važna tema u nuklearnoj hemiji.
- Zakon konačnih odnosa, iako u mnogim sistemima (naročito kod biomakromolekula i minerala) ti odnosi vode računanju velikih brojeva te se često predstavljaju razlomcima.
- Zakon višestrukih masenih odnosa
- Raoultov zakon
Hemija se obično dijeli u nekoliko osnovnih grana. Osim toga, postoji i nekoliko osnovnih međudisciplina i još više specijaliziranih oblasti hemije.[53]
- Analitička hemija je analiza uzoraka materijala kako bi se shvatio njihov hemijski sastav i struktura. Analitička hemija inkorporira standardizirane eksperimentalne metode u hemiji. Te metode se mogu koristiti u svim grama hemije, osim u čisto teorijskoj hemiji.
- Biohemija je proučavanje hemijskih spojeva, reakcija i interakcija među njima koji se odvijaju u živim organizmima. Biohemija i organska hemija su veoma blisko povezani, kao npr. u medicinskoj hemiji i neurohemiji. Biohemija je također povezana i sa molekularnom biologijom i genetikom.
- Neorganska hemija je proučavanje osobina i reakcija neorganskih spojeva. Razlika između organske i neorganske discipline nije apsolutna i u mnogim stvarima se preklapaju, a najviše u podoblasti organometalne hemije.
- Nauka o materijalima je dobijanje, karakteriziranje i razumijevanje supstanci sa korisnim funkcijama. Ovo polje predstavlja novu širinu studiranja u fakultetskim programima, a integrira elemente iz svih klasičnih područja hemije sa posebnim osvrtom na temeljne probleme koji su jedinstveni za materijale. Osnovni sistemi proučavanja uključuju hemiju kondenziranih faza (čvrstih tijela, polimera i tekućina) i interfejse između različitih faza.
- Neurohemija je grana hemija koja proučava neurohemikalije, uključujući transmitere, peptide, bjelančevine, masti, šećere i nukleinske kiseline, njihovo međudjelovaje te uloge koje igraju u stvaranju, održavanju i promjenama u nervnom sistemu.
- Nuklearna hemija proučava kako se spajaju subatomske čestice dajući jezgro atoma. Moderna transmutacija je posebno obimna komponenta nuklearne hemije, a tabela nuklida je jedan od značajnijih rezultata i alata u ovom polju.
- Organska hemija je izučavanje strukture, osobine, sastava, mehanizama i reakcija organskih spojeva. Organski spoj se definira kao spoj koji je zasnovan na ugljikovom lancu.
- Fizikalna hemija je grana hemije o fizikalnoj i fundamentalnoj bazi hemijskih sistema i procesa. Konkretno, energetika i dinamika takvih sistema i procesa predstavlja osnovno zanimanje fizikalnih hemičara. Važna područja iz ove oblasti su hemijska termodinamika, hemijska kinetika, elektrohemija, statistička mehanika, spektroskopija, te od nedavno i astrohemija.[54] Fizikalna hemija se znatno preklapa sa molekularnom fizikom. Međutim, fizikalna hemija uključuje korištenje infinitezimalnog računa pri deriviranju jednačina. Obično je povezana i sa kvantnom i teorijskom hemijom. Fizikalna hemija je posebna grana različita od hemijske fizike, ali se i s njom dosta preklapa.
- Teorijska hemija je oblast hemije koja izučava fundamentalne teorijske postavke (obično zajedno sa matematikom ili fizikom. U užem smislu primjena kvantne mehanike u hemiji naziva se još i kvantna hemija. Od kraja Drugog svjetskog rata, razvoj računara je omogućio sistematski razvoj računarske hemije, koja je zapravo vještina razvoja i primjene računarskih programa u svrhu rješavanje hemijskih problema. Teorijska hemija se znatno preklama sa fizikom kondenzirane materije i molekularnom fizikom (i teorijski i eksperimentalno).
Druge hemijske grane uključuju agrohemiju, astrohemiju (i kosmohemiju), atmosfersku hemiju, hemijski inženjering, hemijsku biologiju, hemoinformatiku, elektrohemiju, hemiju okoline, femtohemiju, hemiju arome, hemiju toka, geohemiju, "zelenu" hemiju, histohemiju, historiju hemije, hemiju hidrogenizacije, imunohemiju, hemiju okeana i mora, nauku o materijalima, matematičku hemiju, mehanohemiju, medicinsku hemiju, molekularnu biologiju, molekularnu mehaniku, nanotehnologiju, hemiju prirodnih proizvoda, enologiju, organometalnu hemiju, petrohemiju, farmakologiju, fotohemiju, fizikalnu organsku hemiju, fitohemiju, hemiju polimera, radiohemiju, hemiju čvrstog stanja, sonohemiju, supramolekularnu hemiju, hemiju površine, sintetičku hemiju, termohemiju, i mnoge druge.
Hemijska industija predstavlja važnu ekonomsku aktivnost širom svijeta. Prema podacima iz 2013. godine, 50 najvećih svjetskih proizvođača hemijskih proizvoda imalo je prihod od 980,5 milijardi američkih dolara, sa stopom profita od 10,3%.