ในวิชาเคมี สสารถูกนิยามว่าเป็นสิ่งใดก็ตามที่มีมวลนิ่งและปริมาตร (กินพื้นที่) และประกอบด้วยอนุภาคอนุภาคที่ประกอบเป็นสสารมีมวลนิ่งเช่นกัน – ไม่ใช่ทุกอนุภาคจะมีมวลนิ่ง เช่นโฟตอนสสารอาจเป็นสารเคมี บริสุทธิ์ หรือสารผสม^{[ 22 ]}

อะตอม

อะตอมเป็นหน่วยพื้นฐานของวิชาเคมี ประกอบด้วยแกนกลางที่หนาแน่นเรียกว่านิวเคลียสของอะตอมล้อมรอบด้วยช่องว่างที่ครอบครองโดยกลุ่มอิเล็กตรอนนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน ที่มีประจุบวก และนิวตรอน ที่ไม่มีประจุ (รวมเรียกว่านิวคลีออน ) ในขณะที่ กลุ่ม อิเล็กตรอนประกอบด้วยอิเล็กตรอน ที่มีประจุลบ ซึ่งโคจรรอบนิวเคลียส ในอะตอมที่เป็นกลาง อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะสมดุลกับประจุบวกของโปรตอน นิวเคลียสมีความหนาแน่นสูง มวลของนิวคลีออนมีค่าประมาณ 1,836 เท่าของอิเล็กตรอน แต่รัศมีของอะตอมมีค่าประมาณ 10,000 เท่าของนิวเคลียส^{[ 23 ] [ 24 ]}

อะตอมยังเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดที่สามารถจินตนาการได้ว่ายังคงรักษาคุณสมบัติทางเคมีของธาตุไว้ได้ เช่นค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี ศักยภาพในการ แตกตัว เป็นไอออนสถานะออกซิเดชันที่ต้องการเลขโคออร์ดิเนชันและประเภทของพันธะที่ต้องการก่อตัว (เช่นพันธะโลหะ พันธะไอ ออนิ ก พันธะโคเวเลนต์ )

องค์ประกอบ

ธาตุเคมีคือสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียว ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม เรียกว่าเลขอะตอมและแทนด้วยสัญลักษณ์Zเลขมวลคือผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส แม้ว่านิวเคลียสของอะตอมทั้งหมดที่อยู่ในธาตุเดียวกันจะมีเลขอะตอมเดียวกัน แต่เลขมวลอาจไม่เท่ากันเสมอไป อะตอมของธาตุที่มีเลขมวลต่างกันเรียกว่าไอโซโทปตัวอย่างเช่น อะตอมทั้งหมดที่มีโปรตอน 6 ตัวในนิวเคลียสเป็นอะตอมของธาตุคาร์บอนแต่อาจมีเลขมวลเป็น 12 หรือ 13 ก็ได้^{[ 24 ]}

การนำเสนอมาตรฐานของธาตุเคมีคือตารางธาตุซึ่งเรียงลำดับธาตุตามเลขอะตอม ตารางธาตุจัดเรียงเป็นกลุ่มหรือคอลัมน์ และคาบหรือแถว ตารางธาตุมีประโยชน์ในการระบุแนวโน้มตามคาบ^{[ 25 ]}

สารประกอบ

สารประกอบ คือสารเคมีบริสุทธิ์ ที่ประกอบด้วยธาตุมากกว่าหนึ่งชนิด คุณสมบัติของสารประกอบมีความคล้ายคลึงกับคุณสมบัติของธาตุเพียงเล็กน้อย^{[ 26 ]}ระบบการตั้งชื่อมาตรฐานของสารประกอบถูกกำหนดโดยสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAC) สารประกอบอินทรีย์ได้รับการตั้งชื่อตามระบบการตั้งชื่ออินทรีย์^{[ 27 ]}ชื่อของสารประกอบอนินทรีย์ถูกสร้างขึ้นตาม ระบบ การตั้งชื่ออนินทรีย์เมื่อสารประกอบมีส่วนประกอบมากกว่าหนึ่งชนิด ส่วนประกอบเหล่านั้นจะถูกแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ ส่วนประกอบที่มีประจุบวกและส่วนประกอบที่มีประจุลบ^{[ 28 ]}นอกจากนี้บริการข้อมูลสรุปทางเคมี (CAS)ได้คิดค้นวิธีการจัดทำดัชนีสารเคมี ในระบบนี้ สารเคมีแต่ละชนิดสามารถระบุได้ด้วยหมายเลขที่เรียกว่าหมายเลขทะเบียน CAS

โมเลกุล

โมเลกุลคือส่วนที่เล็กที่สุดและแบ่งแยกไม่ได้ของสารเคมี บริสุทธิ์ที่มีคุณสมบัติ ทางเคมีเฉพาะตัว กล่าวคือ มีศักยภาพที่จะเกิดปฏิกิริยาเคมีบางอย่างกับสารอื่นๆ อย่างไรก็ตาม คำจำกัดความนี้ใช้ได้ดีเฉพาะกับสารที่ประกอบด้วยโมเลกุลเท่านั้น ซึ่งไม่เป็นเช่นนั้นสำหรับสารหลายชนิด (ดูด้านล่าง) โดยทั่วไปแล้ว โมเลกุลคือกลุ่มของอะตอมที่ยึดติดกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ทำให้โครงสร้างเป็นกลางทางไฟฟ้า และอิเล็กตรอนวาเลนซ์ทั้งหมดจับคู่กับอิเล็กตรอนอื่นๆ ไม่ว่าจะเป็นในพันธะหรือในคู่โดดเดี่ยว

ดังนั้น โมเลกุลจึงมีอยู่เป็นหน่วยที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากไอออน เมื่อกฎนี้ถูกละเมิด ทำให้ "โมเลกุล" มีประจุ ผลลัพธ์ที่ได้บางครั้งเรียกว่าไอออนโมเลกุลหรือไอออนหลายอะตอม อย่างไรก็ตาม ลักษณะที่แยกจากกันอย่างชัดเจนของแนวคิดโมเลกุลมักต้องการให้ไอออนโมเลกุลมีอยู่เฉพาะในรูปแบบที่แยกจากกันอย่างดี เช่น ลำแสงที่พุ่งตรงในสุญญากาศในเครื่องสเปกโทรเมตรมวลกลุ่มไอออนหลายอะตอมที่มีประจุซึ่งอยู่ในของแข็ง (ตัวอย่างเช่นไอออนซัลเฟตหรือ ไน เต รตทั่วไป ) โดยทั่วไปแล้วจะไม่ถือว่าเป็น "โมเลกุล" ในทางเคมี โมเลกุลบางชนิดมีอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่หนึ่งตัวหรือมากกว่า ทำให้เกิดอนุมูลอิสระ อนุมูลอิสระส่วนใหญ่ค่อนข้างไวต่อปฏิกิริยา แต่บางชนิด เช่นไนตริกออกไซด์ (NO) สามารถคงตัวได้

ธาตุ เฉื่อยหรือธาตุก๊าซมีตระกูล ( ฮีเลียมนีออนอาร์กอนคริปตอน ซีนอนและเรดอน) ประกอบด้วย อะตอมเดี่ยวเป็นหน่วยย่อยที่สุด แต่ธาตุเคมีอื่นๆ ที่แยกตัวออกมา นั้นประกอบด้วยโมเลกุลหรือโครงข่ายของอะตอมที่เชื่อมต่อกันในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง โมเลกุลที่สามารถระบุได้นั้นประกอบขึ้นเป็นสารที่คุ้นเคย เช่น น้ำ อากาศ และสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด เช่น แอลกอฮอล์ น้ำตาล น้ำมันเบนซิน และยาต่างๆ

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าสารหรือสารประกอบทางเคมีทั้งหมดจะประกอบด้วยโมเลกุลที่แยกจากกัน และที่จริงแล้ว สารแข็งส่วนใหญ่ที่ประกอบขึ้นเป็นเปลือกโลก เนื้อโลก และแก่นโลกนั้นเป็นสารประกอบทางเคมีที่ไม่มีโมเลกุล สารประเภทอื่นๆ เหล่านี้ เช่นสารประกอบไอออนิกและของแข็งแบบโครงข่ายถูกจัดเรียงในลักษณะที่ไม่มีโมเลกุลที่สามารถระบุได้โดยตรงแต่สารเหล่านี้จะถูกกล่าวถึงในแง่ของหน่วยสูตรหรือหน่วยเซลล์ซึ่งเป็นโครงสร้างที่เล็กที่สุดที่ซ้ำกันภายในสารนั้น ตัวอย่างของสารดังกล่าว ได้แก่ เกลือแร่ (เช่นเกลือแกง ) ของแข็งเช่นคาร์บอนและเพชร โลหะ และแร่ซิลิกาและซิลิเกต ที่คุ้นเคย เช่น ควอตซ์และหินแกรนิต

ลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของโมเลกุลคือรูปทรงเรขาคณิต ซึ่งมักเรียกว่าโครงสร้าง ของมัน ในขณะที่โครงสร้างของ โมเลกุล ไดอะตอมิก ไตร อะตอมิกหรือเตตระอะตอมิก อาจดูเรียบง่าย ( เช่น เส้นตรงพีระมิดเชิงมุม เป็นต้น) โครงสร้างของโมเลกุลโพลีอะตอมิก ซึ่งประกอบด้วยอะตอมมากกว่าหกอะตอม (จากหลายธาตุ) อาจมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อคุณสมบัติทางเคมีของมัน

นอกจากคุณสมบัติทางเคมีเฉพาะที่ใช้ในการจำแนกประเภททางเคมีต่างๆ แล้ว สารเคมียังสามารถอยู่ในหลายสถานะได้อีกด้วย โดยส่วนใหญ่แล้ว การจำแนกประเภททางเคมีจะไม่ขึ้นอยู่กับการจำแนกสถานะโดยรวมเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม บางสถานะที่แปลกใหม่กว่านั้นอาจไม่สอดคล้องกับคุณสมบัติทางเคมีบางประการสถานะคือชุดของสถานะของระบบทางเคมีที่มีคุณสมบัติโครงสร้างโดยรวมคล้ายคลึงกัน ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ เช่นความดันหรืออุณหภูมิ

คุณสมบัติทางกายภาพ เช่นความหนาแน่นและดัชนีหักเหมักจะอยู่ในช่วงค่าที่บ่งบอกลักษณะของสถานะนั้นๆ สถานะของสสารถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนสถานะซึ่งเป็นช่วงเวลาที่พลังงานที่ใส่เข้าไปหรือดึงออกจากระบบ เปลี่ยนไปเป็นการจัดเรียงโครงสร้างของระบบใหม่ แทนที่จะเปลี่ยนแปลงสภาวะโดยรวม

บางครั้งความแตกต่างระหว่างสถานะต่างๆ อาจมีความต่อเนื่องแทนที่จะมีขอบเขตที่ชัดเจน ในกรณีนี้ สสารจะอยู่ใน สถานะ วิกฤตยิ่งยวดเมื่อสถานะทั้งสามมาบรรจบกันตามเงื่อนไขที่กำหนด จะเรียกว่าจุดสามสถานะและเนื่องจากจุดสามสถานะนี้ไม่เปลี่ยนแปลง จึงเป็นวิธีที่สะดวกในการกำหนดชุดเงื่อนไข

ตัวอย่างของสถานะที่คุ้นเคยมากที่สุด ได้แก่ของแข็งของเหลวและก๊าซ สารหลายชนิดแสดงสถานะของแข็งได้หลาย สถานะตัวอย่างเช่นเหล็ก แข็งมีสามสถานะ (อัลฟา แกมมา และเดลต้า) ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิและความดัน ความแตกต่างหลักระหว่างสถานะของแข็งคือโครงสร้างผลึกหรือการจัดเรียงของอะตอม อีกสถานะหนึ่งที่พบได้ทั่วไปในการศึกษาทางเคมีคือ สถานะ ของเหลวซึ่งเป็นสถานะของสารที่ละลายอยู่ในสารละลายในน้ำ

สภาวะที่ไม่ค่อยคุ้นเคย ได้แก่พลาสมา สารควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์และสารควบแน่นเฟอร์มิออนิกรวมถึง สภาวะ พาราแมกเนติกและ เฟอร์ โรแมกเนติกของ วัสดุ แม่เหล็กในขณะที่สภาวะที่คุ้นเคยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับระบบสามมิติ แต่ก็สามารถกำหนดสภาวะที่คล้ายคลึงกันในระบบสองมิติได้เช่นกัน ซึ่งได้รับความสนใจเนื่องจากมีความเกี่ยวข้องกับระบบในทางชีววิทยา

อะตอมที่ยึดติดกันในโมเลกุลหรือผลึกเรียกว่าเกิดพันธะกัน พันธะเคมีสามารถมองเห็นได้ว่าเป็น สมดุล แบบหลายขั้วระหว่างประจุบวกในนิวเคลียสและประจุลบที่สั่นไหวอยู่รอบๆ^{[ 33 ]}นอกเหนือจากแรงดึงดูดและแรงผลักธรรมดาแล้ว พลังงานและการกระจายตัวยังบ่งบอกถึงความพร้อมของอิเล็กตรอนที่จะสร้างพันธะกับอะตอมอื่น

พันธะเคมีอาจเป็นพันธะโคเวเลนต์ พันธะไอออนิกพันธะไฮโดรเจนหรือเกิดจากแรงแวนเดอร์วาลส์ พันธะแต่ละชนิดเหล่านี้มีศักยภาพเฉพาะตัว ศักยภาพเหล่านี้สร้างปฏิสัมพันธ์ที่ยึดอะตอมเข้าด้วยกันในโมเลกุลหรือผลึก ในสารประกอบอย่างง่ายหลายชนิดทฤษฎีพันธะวาเลนซ์แบบจำลองการผลักกันของอิเล็กตรอนคู่ในเปลือกวาเลนซ์ ( VSEPR ) และแนวคิดเรื่องเลขออกซิเดชันสามารถนำมาใช้อธิบายโครงสร้างและองค์ประกอบของโมเลกุลได้

พันธะไอออนิกเกิดขึ้นเมื่อโลหะสูญเสียอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น กลายเป็นแคตไอออนที่มีประจุบวก และอะตอมของอโลหะจะรับอิเล็กตรอนเหล่านั้นไป กลายเป็นแอนไอออนที่มีประจุลบ ไอออนที่มีประจุตรงข้ามกันทั้งสองจะดึงดูดซึ่งกันและกัน และพันธะไอออนิกคือแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างพวกมัน ตัวอย่างเช่นโซเดียม (Na) ซึ่งเป็นโลหะ สูญเสียอิเล็กตรอนหนึ่งตัวกลายเป็นแคตไอออน Na ⁺ในขณะที่คลอรีน (Cl) ซึ่งเป็นอโลหะ รับอิเล็กตรอนนี้กลายเป็น^Cl−ไอออนเหล่านี้ยึดติดกันด้วยแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต และเกิดเป็นสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) หรือเกลือแกงทั่วไป

ในพันธะโคเวเลนต์ อะตอมสองอะตอมจะใช้ร่วมกันอิเล็กตรอน คู่หนึ่งหรือมากกว่านั้น กลุ่มอะตอมที่เชื่อมต่อกันซึ่งมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าเรียกว่าโมเลกุล อะตอม จะใช้ร่วมกันอิเล็กตรอนคู่ในลักษณะที่ทำให้แต่ละอะตอมมี โครงสร้างอิเล็กตรอน เหมือนก๊าซเฉื่อย (อิเล็กตรอนแปดตัวในวงโคจรชั้นนอกสุด) อะตอมที่รวมตัวกันในลักษณะที่แต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอนแปดตัวในวงโคจรชั้นนอกสุดเรียกว่าเป็นไปตามกฎออกเตตอย่างไรก็ตาม ธาตุบางชนิด เช่นไฮโดรเจนและลิเธียมต้องการเพียงอิเล็กตรอนสองตัวในวงโคจรชั้นนอกสุดเพื่อให้ได้โครงสร้างที่เสถียรนี้ อะตอมเหล่านี้เรียกว่าเป็นไปตามกฎดูเอตและด้วยวิธีนี้พวกมันจึงมีโครงสร้างอิเล็กตรอนเหมือนก๊าซเฉื่อยฮีเลียมซึ่งมีอิเล็กตรอนสองตัวในวงโคจรชั้นนอกสุด

ในทำนองเดียวกัน ทฤษฎีจากฟิสิกส์คลาสสิกสามารถนำมาใช้ทำนายโครงสร้างไอออนิกได้หลายชนิด สำหรับสารประกอบที่ซับซ้อนกว่า เช่นสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะทฤษฎีพันธะวาเลนซ์จะนำมาใช้ได้น้อยลง และโดยทั่วไปจะใช้วิธีการอื่น เช่น ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล

ในบริบทของวิชาเคมี พลังงานเป็นคุณสมบัติของสารอันเป็นผลมาจาก โครงสร้าง อะตอมโมเลกุลหรือโครงสร้าง รวม ของ สารนั้น เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีมักมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างอย่างน้อยหนึ่งอย่าง จึงมักส่งผลให้พลังงาน ของสารที่เกี่ยวข้อง เพิ่มขึ้นหรือลดลงเสมอพลังงานบางส่วนจะถูกถ่ายโอนระหว่างสิ่งแวดล้อมและสารตั้งต้นของปฏิกิริยาในรูปของความร้อนหรือแสงดังนั้น ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาอาจมีพลังงานมากกว่าหรือน้อยกว่าสารตั้งต้นก็ได้

ปฏิกิริยาจะเรียกว่าปฏิกิริยาคายความร้อนหากสถานะสุดท้ายมีพลังงานต่ำกว่าสถานะเริ่มต้น ในกรณีของปฏิกิริยาดูด ความ ร้อน สถานการณ์จะเป็นตรงกันข้าม ปฏิกิริยาจะเรียกว่าปฏิกิริยาคายความร้อนหากปฏิกิริยานั้นปล่อยความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม ในกรณีของปฏิกิริยาดูดความร้อนปฏิกิริยานั้นจะดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อม

ปฏิกิริยาเคมีจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้เลยหากสารตั้งต้นไม่สามารถเอาชนะอุปสรรคทางพลังงานที่เรียกว่าพลังงานกระตุ้นได้ความเร็วของปฏิกิริยาเคมี (ที่อุณหภูมิ T ที่กำหนด) สัมพันธ์กับพลังงานกระตุ้น E โดยผ่านตัวประกอบประชากรของโบลต์ซมันน์${\displaystyle e^{-E/kT}}$– นั่นคือความน่าจะเป็นที่โมเลกุลจะมีพลังงานมากกว่าหรือเท่ากับ E ที่อุณหภูมิ T ที่กำหนด ความสัมพันธ์แบบเลขชี้กำลังของอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมินี้เรียกว่าสมการอาร์เรเนียสพลังงานกระตุ้นที่จำเป็นสำหรับการเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถอยู่ในรูปของความร้อน แสงไฟฟ้าหรือแรง ทางกล ในรูปของคลื่นอัลตราซาวนด์^{[ 34 ]}

พลังงานอิสระ ซึ่งเป็น แนวคิดที่เกี่ยวข้องและรวมถึงการพิจารณาเรื่องเอนโทรปีด้วยนั้น เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์มากในการทำนายความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาและกำหนดสถานะสมดุลของปฏิกิริยาเคมีในอุณหพลศาสตร์เคมีปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อการเปลี่ยนแปลงโดยรวมของพลังงานอิสระของกิบส์เป็นค่าลบ${\displaystyle \Delta G\leq 0\,}$ถ้าค่าเท่ากับศูนย์ แสดงว่าปฏิกิริยาเคมีอยู่ในสภาวะสมดุล

อิเล็กตรอน อะตอม และโมเลกุลมีสถานะพลังงานที่เป็นไปได้เพียงจำกัดเท่านั้น สถานะเหล่านี้ถูกกำหนดโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งต้องการการควอนตัมของพลังงานของระบบที่มีพันธะ อะตอม/โมเลกุลที่มีสถานะพลังงานสูงกว่าจะอยู่ในสถานะกระตุ้น โมเลกุล/อะตอมของสารในสถานะพลังงานกระตุ้นมักจะมีความไวต่อปฏิกิริยามากกว่า กล่าวคือ มีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายกว่า

สถานะของสารถูกกำหนดโดยพลังงานของสารและพลังงานของสิ่งแวดล้อมเสมอ เมื่อแรงระหว่างโมเลกุลของสารมีมากจนพลังงานของสิ่งแวดล้อมไม่เพียงพอที่จะเอาชนะได้ สารนั้นจะอยู่ในสถานะที่มีระเบียบมากขึ้น เช่น ของเหลวหรือของแข็ง ดังเช่นกรณีของน้ำ (H₂O ซึ่งเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องเนื่องจากโมเลกุลของมันถูกยึดไว้ด้วยพันธะไฮโดรเจน^[ 35 ^]ในขณะที่ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S ^{โมเลกุล} ของมันถูกยึดไว้ด้วย ปฏิกิริยาไดโพล-ไดโพลที่อ่อนกว่า

การถ่ายโอนพลังงานจากสารเคมีหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของควอนตัม พลังงาน ที่ปล่อยออกมาจากสารนั้น อย่างไรก็ตาม พลังงานความร้อนมักจะถ่ายโอนได้ง่ายกว่าจากสารเกือบทุกชนิดไปยังอีกสารหนึ่ง เนื่องจากโฟนอนซึ่งเป็นตัวการทำให้เกิดระดับพลังงานการสั่นและการหมุนในสารนั้นมีพลังงานน้อยกว่าโฟตอนที่ใช้ในการถ่ายโอนพลังงานอิเล็กตรอน ดังนั้น เนื่องจากระดับพลังงานการสั่นและการหมุนนั้นอยู่ใกล้กันมากกว่าระดับพลังงานอิเล็กตรอน ความร้อนจึงถ่ายโอนระหว่างสารได้ง่ายกว่าแสงหรือพลังงานอิเล็กตรอนรูปแบบอื่น ตัวอย่างเช่น รังสี อัลตราไวโอเลตไม่สามารถถ่ายโอนจากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่งได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับพลังงานความร้อนหรือพลังงานไฟฟ้า

การมีอยู่ของระดับพลังงานเฉพาะสำหรับสารเคมี ต่างๆ นั้น มีประโยชน์สำหรับการระบุสารเหล่านั้นโดยการวิเคราะห์เส้นสเปกตรัมสเปกตรัมประเภทต่างๆ มักถูกนำมาใช้ในสเปกโทรสโก ปีทางเคมี เช่นอินฟราเรดไมโครเวฟนิวเคลียร์ แมกเนติกเรโซ แนนซ์อีเอสอาร์เป็นต้น สเปกโทรสโกปียังใช้ในการระบุองค์ประกอบของวัตถุที่อยู่ไกลออกไป เช่น ดาวฤกษ์และกาแล็กซีที่อยู่ไกล โดยการวิเคราะห์สเปกตรัมการแผ่รังสีของพวกมัน

คำว่าพลังงานเคมีมักใช้เพื่อบ่งชี้ถึงศักยภาพของสารเคมีในการเปลี่ยนแปลงผ่านปฏิกิริยาเคมีหรือในการเปลี่ยนแปลงสารเคมีอื่น ๆ

เมื่อสารเคมีเปลี่ยนแปลงไปอันเป็นผลมาจากการทำปฏิกิริยากับสารอื่นหรือกับพลังงาน จะกล่าวได้ว่าเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น ดังนั้น ปฏิกิริยาเคมีจึงเป็นแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับ "ปฏิกิริยา" ของสารเมื่อสัมผัสกับสารอื่นอย่างใกล้ชิด ไม่ว่าจะเป็นในรูปของสารผสมหรือสารละลายการสัมผัสกับพลังงานในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง หรือทั้งสองอย่าง ส่งผลให้เกิดการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างองค์ประกอบของปฏิกิริยา รวมทั้งกับสิ่งแวดล้อมของระบบ ซึ่งอาจเป็นภาชนะที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ—โดยส่วนใหญ่มักเป็นเครื่องแก้วในห้องปฏิบัติการ

ปฏิกิริยาเคมีสามารถส่งผลให้เกิดการสร้างหรือการแตกตัวของโมเลกุล กล่าวคือ โมเลกุลแตกออกเป็นโมเลกุลสองโมเลกุลขึ้นไป หรือการจัดเรียงอะตอมใหม่ภายในหรือระหว่างโมเลกุล ปฏิกิริยาเคมีมักเกี่ยวข้องกับการสร้างหรือการแตกของพันธะเคมีปฏิกิริยาออกซิเดชันปฏิกิริยารีดักชัน การแตกตัว การสะเก็ดกรด-เบสและการจัดเรียง โมเลกุล ใหม่ เป็นตัวอย่างของปฏิกิริยาเคมีทั่วไป

ปฏิกิริยาเคมีสามารถแสดงเป็นสัญลักษณ์ได้ผ่านสมการเคมีในขณะที่ในปฏิกิริยาเคมีที่ไม่ใช่นิวเคลียร์ จำนวนและชนิดของอะตอมในทั้งสองด้านของสมการจะเท่ากัน สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ สิ่งนี้จะเป็นจริงเฉพาะกับอนุภาคนิวเคลียร์ เช่น โปรตอนและนิวตรอน^{[ 36 ]}

ลำดับขั้นตอนที่การจัดเรียงพันธะเคมีใหม่เกิดขึ้นในระหว่างปฏิกิริยาเคมีเรียกว่ากลไก ของปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเคมีสามารถเกิดขึ้นได้หลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนอาจมีความเร็วแตกต่างกัน ดังนั้นจึงสามารถจินตนาการถึงสารตัวกลางของปฏิกิริยา หลายชนิด ที่มีความเสถียรแปรผันได้ในระหว่างปฏิกิริยา กลไกของปฏิกิริยาถูกเสนอขึ้นเพื่ออธิบายจลนศาสตร์และส่วนผสมของผลิตภัณฑ์สัมพัทธ์ของปฏิกิริยานักเคมีเชิงฟิสิกส์ หลายคน เชี่ยวชาญในการสำรวจและเสนอแนะกลไกของปฏิกิริยาเคมีต่างๆ กฎเชิงประจักษ์หลายข้อ เช่นกฎของวูดเวิร์ด-ฮอฟมันน์มักมีประโยชน์ในการเสนอแนะกลไกสำหรับปฏิกิริยาเคมี

ตาม หนังสือทองคำ ของ IUPACปฏิกิริยาเคมีคือ "กระบวนการที่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระหว่างชนิดของสารเคมี" ^{[ 37 ]}ดังนั้น ปฏิกิริยาเคมีอาจเป็นปฏิกิริยาพื้นฐานหรือปฏิกิริยาแบบเป็นขั้นๆ ข้อควรระวังเพิ่มเติมคือ คำจำกัดความนี้รวมถึงกรณีที่ สามารถสังเกต การเปลี่ยนแปลงระหว่างคอนฟอร์เมอร์ได้จากการทดลอง ปฏิกิริยาเคมีที่ตรวจจับได้ดังกล่าวโดยปกติจะเกี่ยวข้องกับชุดของโมเลกุลตามที่ระบุไว้ในคำจำกัดความนี้ แต่ในเชิงแนวคิดแล้ว การใช้คำนี้สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลเดี่ยว (เช่น 'เหตุการณ์ทางเคมีระดับจุลภาค') ก็มักจะสะดวกกว่า

ไอออน คืออนุภาคที่มีประจุ ซึ่งอาจ เป็นอะตอมหรือโมเลกุล ที่สูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น เมื่ออะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนและมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน อะตอมนั้นจะเป็นไอออนที่มีประจุบวกหรือแคตไอออนเมื่ออะตอมได้รับอิเล็กตรอนและมีอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน อะตอมนั้นจะเป็นไอออนที่มีประจุลบหรือแอน ไอออน แคตไอออนและแอนไอออนสามารถรวมตัวกันเป็นโครงสร้างผลึกของเกลือ ที่เป็นกลางได้ เช่น ไอออน Na⁺ ^{​​และ} Cl⁻ ^รวมตัวกันเป็นโซเดียมคลอไรด์หรือ NaCl ตัวอย่างของไอออนหลายอะตอมที่ไม่แตกตัวในปฏิกิริยาของกรด-เบสได้แก่ไฮดรอกไซด์ ( ^OH⁻ ) และฟอสเฟต ( ⁾

พลาสมาประกอบด้วยสสารในสถานะก๊าซที่ถูกแตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ โดยปกติจะเกิดขึ้นผ่านอุณหภูมิสูง

โดยทั่วไป สารต่างๆ สามารถจำแนกได้ว่าเป็นกรดหรือเบสมีทฤษฎีหลายทฤษฎีที่อธิบายพฤติกรรมของกรดและเบส ทฤษฎีที่ง่ายที่สุดคือทฤษฎีของอาร์เรเนียสซึ่งกล่าวว่า กรดคือสารที่สร้างไอออนไฮโดรเนียมเมื่อละลายในน้ำ และเบสคือสารที่สร้างไอออนไฮดรอกไซด์เมื่อละลายในน้ำ ตามทฤษฎีของบรอนสเตด-โลว์รีกรดคือสารที่ให้ไอออนไฮโดรเจน บวก แก่สารอื่นในปฏิกิริยาเคมี และเบสคือสารที่รับไอออนไฮโดรเจนนั้น

ทฤษฎีทั่วไปประการที่สามคือทฤษฎีกรด-เบสของลูอิสซึ่งอิงจากการสร้างพันธะเคมีใหม่ ทฤษฎีของลูอิสอธิบายว่ากรดคือสารที่สามารถรับอิเล็กตรอนคู่หนึ่งจากสารอื่นในระหว่างกระบวนการสร้างพันธะ ในขณะที่เบสคือสารที่สามารถให้อิเล็กตรอนคู่หนึ่งเพื่อสร้างพันธะใหม่ มีวิธีอื่นอีกหลายวิธีในการจำแนกสารว่าเป็นกรดหรือเบส ดังที่เห็นได้ชัดในประวัติของแนวคิดนี้^{[ 38 ]}

ความแรงของกรดมักวัดได้สองวิธี วิธีแรกวัดตามนิยามความเป็นกรดของอาร์เรเนียส คือค่า pHซึ่งเป็นการวัดความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเนียมในสารละลาย โดยแสดงใน มาตราส่วน ลอการิทึม ลบ ดังนั้น สารละลายที่มีค่า pH ต่ำจะมีความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเนียมสูง และกล่าวได้ว่ามีความเป็นกรดมากกว่า วิธีที่สองวัดตามนิยามของบรอนสเตด-โลว์รี คือค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Ka สูงกว่ามีแนวโน้มที่จะให้ไอออนไฮโดรเจนในปฏิกิริยาเคมีมากกว่าสารที่มีค่า

ปฏิกิริยารี ดอกซ์ ( รีดักชัน - ออกซิเดชัน ) คือ ปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่อะตอมมีการ เปลี่ยนแปลง สถานะออกซิเดชันโดยการรับอิเล็กตรอน (รีดักชัน) หรือการสูญเสียอิเล็กตรอน (ออกซิเดชัน) สารที่มีความสามารถในการออกซิไดซ์สารอื่นเรียกว่าสารออกซิไดซ์ และรู้จักกันในชื่อเอเจนต์ออกซิไดซ์ หรือสารออกซิไดซ์ ออกซิไดซ์จะดึงอิเล็กตรอนออกจากสารอื่น ในทำนองเดียวกัน สารที่มีความสามารถในการรีดิวซ์สารอื่นเรียกว่าสารรีดิวซ์ และรู้จักกันในชื่อเอเจนต์รีดิวซ์ หรือสารรีดิวซ์

สารรีดิวซ์จะถ่ายโอนอิเล็กตรอนให้กับสารอื่นและตัวมันเองจึงถูกออกซิไดซ์ และเนื่องจากมัน "บริจาค" อิเล็กตรอน จึงเรียกว่าสารให้อิเล็กตรอน ปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันนั้นหมายถึงการเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชันอย่างถูกต้อง การถ่ายโอนอิเล็กตรอนอาจไม่เกิดขึ้นจริง ดังนั้น ออกซิเดชันจึงนิยามได้ดีกว่าว่าเป็นการเพิ่มขึ้นของเลขออกซิเดชันและรีดักชันเป็นการลดลงของเลขออกซิเดชัน

แม้ว่าแนวคิดเรื่องสมดุลจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ แต่ในบริบทของวิชาเคมี สมดุลจะเกิดขึ้นเมื่อมีสถานะทางเคมีที่แตกต่างกันหลายสถานะเป็นไปได้ เช่น ในส่วนผสมของสารประกอบทางเคมีหลายชนิดที่สามารถทำปฏิกิริยากันได้ หรือเมื่อสารหนึ่งๆ สามารถอยู่ในสถานะมากกว่าหนึ่งชนิดได้

ระบบของสารเคมีที่อยู่ในสภาวะสมดุล แม้ว่าจะมีองค์ประกอบที่ไม่เปลี่ยนแปลง แต่โดยส่วนใหญ่แล้วมักจะไม่ใช่สภาวะคงที่ โมเลกุลของสารเหล่านั้นยังคงทำปฏิกิริยากันต่อไป ทำให้เกิดสมดุลพลวัตดังนั้น แนวคิดนี้จึงอธิบายถึงสภาวะที่พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น องค์ประกอบทางเคมี ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป

ปฏิกิริยาเคมีอยู่ภายใต้กฎบางประการ ซึ่งได้กลายเป็นแนวคิดพื้นฐานในวิชาเคมี กฎเหล่านั้นบางส่วนได้แก่:

นิยามของวิชาเคมีได้เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา เนื่องจากการค้นพบและทฤษฎีใหม่ๆ ได้เพิ่มฟังก์ชันการทำงานของวิทยาศาสตร์ คำว่า "เคมี" ในมุมมองของนักวิทยาศาสตร์ชื่อดังโรเบิร์ต บอยล์ในปี 1661 หมายถึงวิชาเกี่ยวกับหลักการทางวัตถุของสสารผสม^{[ 41 ]}ในปี 1663 นักเคมี คริสโตเฟอร์ กลาเซอร์ได้อธิบาย "เคมี" ว่าเป็นศิลปะทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งทำให้เรียนรู้ที่จะละลายสสาร และแยกสารต่างๆ ออกมาตามองค์ประกอบของมัน รวมถึงวิธีการรวมสสารเหล่านั้นเข้าด้วยกันอีกครั้ง และยกระดับสสารเหล่านั้นให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น^{[ 42 ]}

คำจำกัดความของคำว่า "เคมี" ในปี ค.ศ. 1730 ซึ่งใช้โดยGeorg Ernst Stahlหมายถึง ศิลปะในการแยกสารผสม สารผสม หรือสารรวม ออกเป็นหลักการ และการประกอบสารดังกล่าวจากหลักการเหล่านั้น^{[ 43 ]}ในปี ค.ศ. 1837 Jean-Baptiste Dumasพิจารณาว่าคำว่า "เคมี" หมายถึง วิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับกฎและผลกระทบของแรงระดับโมเลกุล^{[ 44 ]}คำจำกัดความนี้ได้พัฒนาต่อไปจนกระทั่งในปี ค.ศ. 1947 มีความหมายว่า วิทยาศาสตร์ของสาร: โครงสร้าง คุณสมบัติ และปฏิกิริยาที่เปลี่ยนสารเหล่านั้นให้กลายเป็นสารอื่น ซึ่งเป็นลักษณะที่Linus Paulingยอมรับ^{[ 45 ]}เมื่อไม่นานมานี้ ในปี ค.ศ. 1998 ศาสตราจารย์Raymond Changได้ขยายคำจำกัดความของ "เคมี" ให้หมายถึง การศึกษาสสารและการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับสสาร^{[ 46 ]}

อารยธรรมยุคแรก เช่นชาวอียิปต์ [ ^{47 ]}ชาวบาบิโลนและ^ชาวอินเดีย [ ^{48 ]}ได้สะสมความรู้เชิงปฏิบัติเกี่ยวกับศิลปะของโลหะวิทยา เครื่องปั้นดินเผา และสีย้อม แต่ไม่ได้พัฒนาทฤษฎีที่เป็น^ระบบ

สมมติฐานทางเคมีพื้นฐานปรากฏขึ้นครั้งแรกในกรีกโบราณด้วยทฤษฎีธาตุทั้งสี่ ที่ อริสโตเติลได้เสนอไว้อย่างชัดเจน โดยระบุว่าไฟอากาศดินและน้ำเป็นธาตุพื้นฐานที่ทุกสิ่งทุกอย่างก่อตัวขึ้นจากการรวมกันของธาตุต่างๆทฤษฎีอะตอมของกรีก มีอายุย้อนไปถึง 440 ปี ก่อนคริสตกาล โดยปรากฏในผลงานของนักปรัชญา เช่นเดโมคริตุสและเอปิคูรัสในปี 50 ก่อนคริสตกาลลูเครติอุส นักปรัชญาโรมันได้ขยายทฤษฎีนี้ในบทกวีDe rerum natura (ว่าด้วยธรรมชาติของสิ่งต่างๆ) ^{[ 49 ] [ 50 ]}แตกต่างจากแนวคิดทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ทฤษฎีอะตอมของกรีกมีลักษณะเป็นปรัชญาล้วนๆ โดยไม่สนใจการสังเกตเชิงประจักษ์และไม่สนใจการทดลองทางเคมี^{[ 51 ]}

รูปแบบแรกเริ่มของแนวคิดเรื่องการอนุรักษ์มวลคือแนวคิดที่ว่า " ไม่มีอะไรเกิดขึ้นจากไม่มีอะไร " ในปรัชญากรีกโบราณซึ่งสามารถพบได้ในเอมเปโดคลีส (ประมาณศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช): "เพราะเป็นไปไม่ได้ที่สิ่งใดจะเกิดขึ้นจากสิ่งที่ไม่มีอยู่ และไม่สามารถทำให้เกิดขึ้นหรือได้ยินว่าสิ่งที่มีอยู่จะถูกทำลายอย่างสิ้นเชิง" ^{[ 52 ]}และเอปิคูรัส (ศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสต์ศักราช) ผู้ซึ่งบรรยายถึงธรรมชาติของจักรวาล เขียนว่า "สรรพสิ่งทั้งหมดเป็นเช่นที่เป็นอยู่ในปัจจุบันเสมอมา และจะเป็นเช่นนี้ตลอดไป" ^{[ 53 ]}

ในโลกเฮลเลนิสติกศิลปะแห่งการเล่นแร่แปรธาตุแพร่หลายเป็นครั้งแรก โดยผสมผสานเวทมนตร์และไสยศาสตร์เข้ากับการศึกษาธาตุธรรมชาติ โดยมีเป้าหมายสูงสุดคือการเปลี่ยนธาตุให้เป็นทองคำและการค้นพบน้ำอมฤตแห่งชีวิตนิรัน ดร์ ^{[ 54 ]}งานวิจัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการพัฒนาการกลั่น ยัง คงดำเนินต่อไปใน ยุค ไบแซนไทน์ ตอนต้น โดยผู้ปฏิบัติที่มีชื่อเสียงที่สุดคือโซซิโมสแห่งพาโนโพลิส ชาวกรีก- อียิปต์ ในศตวรรษที่ 4 ^{[ 55 ]}การเล่นแร่แปรธาตุยังคงได้รับการพัฒนาและปฏิบัติกันทั่วโลกอาหรับหลังจากการพิชิตของชาวมุสลิม [ ^{56 ]}และจากที่นั่นและจากซากปรักหักพังของไบแซนไทน์^{[ 57 ]}แพร่กระจายไปยังยุโรปยุคกลางและยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา^ผ่านการแปลภาษาละติน

งานเขียนภาษาอาหรับที่เชื่อกันว่าเป็นของจาบีร์ อิบนุ ฮายยานได้นำเสนอการจำแนกประเภทสารเคมีอย่างเป็นระบบ และให้คำแนะนำในการหาสารประกอบอนินทรีย์ ( แอมโมเนียมคลอ ไรด์ หรือแอมโมเนียมคลอไรด์ ) จากสารอินทรีย์ (เช่น พืช เลือด และเส้นผม) โดยวิธีการทางเคมี^{[ 58 ]}งานเขียนภาษาอาหรับของจาบีร์บางเล่ม (เช่น "หนังสือแห่งความเมตตา" และ "หนังสือแห่งเจ็ดสิบ") ได้รับการแปลเป็นภาษาละตินในภายหลังภายใต้ ชื่อ ละตินว่า "เกเบอร์" ^{[ 59 ]}และในยุโรปศตวรรษที่ 13 นักเขียนนิรนามซึ่งมักถูกเรียกว่าเกเบอร์ปลอม ได้เริ่มเขียนงานเกี่ยวกับเล่นแร่แปรธาตุและโลหะวิทยาภายใต้ชื่อนี้^{[ 60 ]}ต่อมานักปรัชญามุสลิมผู้ทรงอิทธิพล เช่น อบู อั ล-รายฮาน อัล-บีรูนี^{[ 61 ]}และอวิเซนนา^{[ 62 ]}ได้โต้แย้งทฤษฎีการเล่นแร่แปรธาตุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งทฤษฎีการแปรสภาพของโลหะ

การปรับปรุงการกลั่นแร่และการสกัดแร่เพื่อถลุงโลหะเป็นแหล่งข้อมูลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับนักเคมีในยุคแรก ๆ ในศตวรรษที่ 16 หนึ่งในนั้นคือGeorg Agricola (1494–1555) ซึ่งตีพิมพ์ผลงานชิ้นสำคัญของเขา คือ De re metallicaในปี 1556 ผลงานของเขาซึ่งอธิบายกระบวนการขุดแร่และการสกัดโลหะที่พัฒนาและซับซ้อนอย่างมาก ถือเป็นจุดสูงสุดของโลหะวิทยาในเวลานั้น แนวทางของเขาขจัดความลึกลับทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ สร้างพื้นฐานเชิงปฏิบัติที่ผู้อื่นสามารถและจะนำไปต่อยอดได้ ผลงานนี้อธิบายถึงเตาหลอมหลายประเภทที่ใช้ในการถลุงแร่ และกระตุ้นความสนใจในแร่ธาตุและองค์ประกอบของมัน Agricola ได้รับการยกย่องว่าเป็น "บิดาแห่งโลหะวิทยา" และผู้ก่อตั้งธรณีวิทยาในฐานะสาขาวิทยาศาสตร์^{[ 66 ] [ 64 ] [ 65 ]}

ภายใต้อิทธิพลของการปฏิวัติวิทยาศาสตร์และวิธีการเชิงประจักษ์แบบใหม่ที่เสนอโดยเซอร์ฟรานซิส เบคอนและคนอื่นๆ กลุ่มนักเคมีที่ออก ซ์ฟอร์ ดได้แก่โรเบิร์ต บอยล์โรเบิร์ต ฮุกและจอห์น เมโยว์เริ่มปรับเปลี่ยนประเพณีเล่นแร่แปรธาตุแบบเก่าให้กลายเป็นสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งบอยล์ได้ตั้งคำถามเกี่ยวกับทฤษฎีทางเคมีที่ยอมรับกันโดยทั่วไป และโต้แย้งให้นักเคมีมี "ความเป็นปรัชญา" มากขึ้นและมุ่งเน้นเชิงพาณิชย์น้อยลงในหนังสือThe Sceptical Chemyst [ ^{39 ] เขา}ได้กำหนดกฎของบอยล์ปฏิเสธ "ธาตุทั้งสี่" แบบคลาสสิก และเสนอทางเลือกเชิงกลไกของอะตอมและปฏิกิริยาเคมีที่สามารถตรวจสอบได้อย่างเข้มงวดด้วยการทดลอง^{[ 67 ]}

ในทศวรรษต่อมา มีการค้นพบที่สำคัญมากมาย เช่น ธรรมชาติของ 'อากาศ' ซึ่งพบว่าประกอบด้วยก๊าซหลายชนิด นักเคมีชาวสก็อตโจเซฟ แบล็กและชาวเฟลมิช แยน บัปติสต์ ฟาน เฮลมอนต์ค้นพบคาร์บอนไดออกไซด์หรือสิ่งที่แบล็กเรียกว่า 'อากาศคงที่' ในปี 1754 เฮนรี คาเวนดิช ค้นพบไฮโดรเจนและอธิบายคุณสมบัติของมัน และโจเซฟ พรีสต์ลีย์และคาร์ล วิลเฮล์ม เชเลอ แยก ออกซิเจนบริสุทธิ์ออกมา ได้โดยอิสระ ทฤษฎีของฟลอจิสตัน (สารที่เป็นรากฐานของการเผาไหม้ทั้งหมด) ได้รับการเสนอโดยชาวเยอรมันเกออร์ก เอิร์นสต์ สตาลในช่วงต้นศตวรรษที่ 18 และถูกล้มล้างโดยนักเคมีชาวฝรั่งเศสอองตวน ลาวัวซิเยร์ ในช่วงปลายศตวรรษ ซึ่งเป็นนักเคมีที่เทียบได้กับนิวตันในสาขาฟิสิกส์ ลาวัวซิเยร์ทำมากกว่าคนอื่นๆ ในการวางรากฐานทางทฤษฎีที่ถูกต้องให้กับวิทยาศาสตร์ใหม่ โดยการอธิบายหลักการอนุรักษ์มวลและพัฒนาระบบการตั้งชื่อทางเคมีใหม่ที่ใช้มาจนถึงทุกวันนี้^{[ 69 ]}

จอห์น ดาลตันนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เสนอ ทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่ซึ่งกล่าวว่า สสารทั้งหมดประกอบด้วย 'อะตอม' ที่แบ่งแยกไม่ได้ และอะตอมแต่ละชนิดมีน้ำหนักอะตอมแตกต่างกัน

การพัฒนาทฤษฎีทางเคมีไฟฟ้าของการรวมตัวทางเคมีเกิดขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 อันเป็นผลมาจากงานของนักวิทยาศาสตร์สองคนโดยเฉพาะ คือJöns Jacob BerzeliusและHumphry Davyซึ่งเป็นไปได้ด้วยการประดิษฐ์กองแบตเตอรี่โวลตาโดยAlessandro Volta ก่อนหน้านี้ Davy ค้นพบธาตุใหม่เก้าชนิดรวมถึงโลหะอัลคาไลโดยการสกัดพวกมันออกจากออกไซด์ด้วยกระแสไฟฟ้า^{[ 70 ]}

วิลเลียม พราวด์ชาวอังกฤษเป็นคนแรกที่เสนอให้เรียงลำดับธาตุทั้งหมดตามน้ำหนักอะตอม เนื่องจากอะตอมทั้งหมดมีน้ำหนักที่เป็นผลคูณที่แน่นอนของน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจน เจ. อาร์. นิวแลนด์สได้คิดค้นตารางธาตุในยุคแรก ซึ่งต่อมาได้รับการพัฒนาเป็นตารางธาตุ สมัยใหม่ ^{[ 73 ]}ในช่วงทศวรรษ 1860 โดยดมิทรี เมนเดเลฟและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ อีกหลายคน รวมถึงจูเลียส โลทาร์ เมเยอร์ [ ^{74 ] [ 75 ] ก๊าซเฉื่อย}ซึ่งต่อมาเรียกว่าก๊าซมีตระกูลถูกค้นพบโดยวิลเลียม แรมเซย์ร่วมกับลอร์ด เรย์ลีย์ในช่วงปลายศตวรรษ ทำให้โครงสร้างพื้นฐานของตารางสมบูรณ์

เคมีอินทรีย์ได้รับการพัฒนาโดยJustus von Liebigและคนอื่นๆ ตาม การสังเคราะห์ ยูเรียของFriedrich Wöhler ^{[ 76 ]}ความก้าวหน้าที่สำคัญอื่นๆ ในศตวรรษที่ 19 ได้แก่ ความเข้าใจเกี่ยวกับพันธะวาเลนซ์ ( Edward Franklandในปี 1852) และการประยุกต์ใช้เทอร์โมไดนามิกส์กับเคมี ( JW GibbsและSvante Arrheniusในช่วงปี 1870)

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 พื้นฐานทางทฤษฎีของวิชาเคมีได้รับการเข้าใจอย่างถ่องแท้ในที่สุด เนื่องจากการค้นพบที่น่าทึ่งหลายอย่างที่ประสบความสำเร็จในการสำรวจและค้นพบธรรมชาติของโครงสร้างภายในของอะตอม ในปี 1897 เจ.เจ. ทอมสันแห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ค้นพบอิเล็กตรอนและหลังจากนั้นไม่นาน นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสเบคเคอ เรล รวมถึงคู่สามีภรรยา ปิแอร์และมารี กูรีได้ทำการวิจัยปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีในชุดการทดลองการกระเจิงที่บุกเบิกเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดแห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ค้นพบโครงสร้างภายในของอะตอมและการมีอยู่ของโปรตอน จัดประเภทและอธิบายประเภทต่างๆ ของกัมมันตภาพรังสี และประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนธาตุแรกโดยการยิงไนโตรเจนด้วยอนุภาคอัลฟา

ผลงานของเขาเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมได้รับการพัฒนาต่อยอดโดยลูกศิษย์ของเขา ได้แก่นีลส์ โบห์ร นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก เฮนรี โมสลีย์ ชาวอังกฤษและออตโต ฮาห์น ชาวเยอรมัน ซึ่งต่อมาได้เป็นบิดาแห่งเคมีนิวเคลียร์และค้นพบปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ ส่วน ทฤษฎีอิเล็กตรอนของพันธะเคมีและออร์บิทัลโมเลกุล นั้น ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันไลนัส พอลลิงและกิลเบิร์ต เอ็น. ลูอิส

ปี 2011 ได้รับการประกาศโดยสหประชาชาติให้เป็นปีสากลแห่งเคมี [ ^{77 ] ซึ่ง}เป็นหนึ่งในการกำหนดปีสากลมากมายของสหประชาชาติ เป็นความคิดริเริ่มที่จะขยายการเข้าถึงและความเข้าใจของสาธารณชนในด้านเคมี ปีดังกล่าวได้รับการเลือกเนื่องจากเป็นปีครบรอบ 100 ปีของการที่มารี กูรีได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี^{[ 78 ]}หลายปีต่อมา ในปี 2019 สหประชาชาติได้ประกาศให้เป็นปีสากลแห่งตารางธาตุ^{[ 79 ]}

โดยทั่วไปวิชาเคมีจะแบ่งออกเป็นสาขาย่อยหลักหลายสาขา นอกจากนี้ยังมีสาขาเคมีข้ามสาขาหลักและสาขาเฉพาะทางอีกหลายสาขา^{[ 80 ]}

• เคมีวิเคราะห์คือการวิเคราะห์ตัวอย่างวัสดุเพื่อทำความเข้าใจองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้าง ของวัสดุนั้น เคมีวิเคราะห์ประกอบด้วยวิธีการทดลองมาตรฐานในวิชาเคมี วิธีการเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในสาขาย่อยทั้งหมดของวิชาเคมี ยกเว้นเคมีเชิงทฤษฎีล้วนๆ^{[ 81 ]}

• ชีวเคมีคือการศึกษาเกี่ยวกับสารเคมีปฏิกิริยาเคมีและปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นในสิ่งมี ชีวิต ชีวเคมีเป็นสห วิทยาการที่ครอบคลุมหลายสาขา เช่นเคมีทางการแพทย์เคมีประสาท ชีววิทยาโมเลกุลนิติวิทยาศาสตร์วิทยาศาสตร์พืชและพันธุศาสตร์ [ ^{83 ] เคมี}ประสาทคือการศึกษาเกี่ยวกับสารเคมีในระบบประสาทรวมถึงสารสื่อประสาท เปปไทด์ โปรตีน ไขมัน น้ำตาล และกรดนิวคลีอิก ปฏิสัมพันธ์ของสารเหล่านี้ และบทบาทที่สารเหล่านี้มีในการสร้าง บำรุงรักษา และปรับเปลี่ยนระบบประสาท
• เคมีอนินทรีย์ตามประเพณีคือการศึกษาโลหะและแร่ธาตุ^{[ 84 ]}แต่ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างและพฤติกรรมของสารประกอบที่ได้จากโลหะและธาตุหมู่หลักการแบ่งแยกระหว่างสาขาวิชาอินทรีย์และอนินทรีย์นั้นไม่แน่นอนและมีการทับซ้อนกันมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาย่อยของเคมีโลหะอินทรีย์
• เคมีวัสดุคือการเตรียม การกำหนดลักษณะ และความเข้าใจเกี่ยวกับส่วนประกอบหรืออุปกรณ์ของของแข็งที่มีฟังก์ชันที่มีประโยชน์ในปัจจุบันหรืออนาคต^{[ 85 ]}สาขานี้เป็นขอบเขตการศึกษาใหม่ในหลักสูตรระดับบัณฑิตศึกษา และบูรณาการองค์ประกอบจากสาขาเคมีแบบดั้งเดิมทั้งหมด เช่นเคมีอินทรีย์เคมีอนินทรีย์และผลึกศาสตร์โดยมุ่งเน้นที่ประเด็นพื้นฐานที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของวัสดุระบบการศึกษาหลัก ได้แก่ เคมีของเฟสควบแน่น (ของแข็ง ของเหลวโพลิเมอร์ ) และส่วนต่อประสานระหว่างเฟสต่างๆ
• เคมีอินทรีย์คือการศึกษาโครงสร้าง คุณสมบัติ องค์ประกอบ กลไก และปฏิกิริยาของสารประกอบอินทรีย์สารประกอบอินทรีย์ถูกนิยามว่าเป็นสารประกอบใดๆ ที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นคาร์บอน สารประกอบอินทรีย์สามารถจำแนก จัดระเบียบ และทำความเข้าใจปฏิกิริยาได้โดยกลุ่มฟังก์ชันอะตอมหน่วย หรือโมเลกุลที่แสดงคุณสมบัติทางเคมีเฉพาะในสารประกอบ^{[ 86 ]}

• เคมีเชิงกายภาพคือการศึกษาพื้นฐานทางกายภาพของระบบและกระบวนการทางเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พลังงานและพลศาสตร์ของระบบและกระบวนการดังกล่าวเป็นสิ่งที่นักเคมีเชิงกายภาพให้ความสนใจ สาขาการศึกษาที่สำคัญ ได้แก่อุณหพลศาสตร์เคมีจลนศาสตร์เคมีเคมีไฟฟ้ากลศาสตร์เชิงสถิติสเปกโทรสโก ปี และล่าสุดคือเคมีดาราศาสตร์ เคมี เชิงกายภาพมีความทับซ้อนกับฟิสิกส์โมเลกุล อย่างมาก เคมีเชิงกายภาพเกี่ยวข้องกับการใช้แคลคูลัสเชิงอนุพันธ์ในการหาอนุพันธ์ของสมการ โดยทั่วไปมักเกี่ยวข้องกับเคมีควอนตัมและเคมีเชิงทฤษฎี เคมีเชิงกายภาพเป็นสาขาวิชาที่แตกต่างจากฟิสิกส์เคมีแต่ก็มีความทับซ้อนกันอย่างมากเช่นกัน
• เคมีเชิงทฤษฎีคือการศึกษาเคมีโดยใช้เหตุผลเชิงทฤษฎีพื้นฐาน (โดยปกติจะอยู่ในสาขาคณิตศาสตร์หรือฟิสิกส์ ) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมกับเคมีเรียกว่าเคมีควอนตัมนับตั้งแต่สิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่สองการพัฒนาคอมพิวเตอร์ได้ทำให้เกิดการพัฒนาอย่างเป็นระบบของเคมีเชิงคำนวณซึ่งเป็นศิลปะในการพัฒนาและประยุกต์ใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ เพื่อแก้ปัญหาทางเคมี เคมีเชิงทฤษฎีมีความทับซ้อนอย่างมากกับ ฟิสิกส์สสารควบแน่นและฟิสิกส์โมเลกุล (ทั้งเชิงทฤษฎีและเชิงทดลอง)

สาขาย่อยอื่นๆ ได้แก่เคมีไฟฟ้าเคมีเฟมโต เคมีรสชาติเคมีไหล เคมีภูมิคุ้มกันเคมีไฮโดรจีเนชันเคมีคณิตศาสตร์ กลศาสตร์โมเลกุลเคมีผลิตภัณฑ์ธรรมชาติเคมีโลหะอินทรีย์ปิโตรเคมีเคมีแสงเคมีอินทรีย์เชิงฟิสิกส์เคมีพอลิเมอร์เคมีรังสีเคมีเสียงเคมีเหนือโมเลกุลเคมีสังเคราะห์และอื่นๆ อีกมากมาย

สาขา วิชาสหวิทยาการได้แก่เคมีเกษตรเคมีดาราศาสตร์ (และเคมีจักรวาล ) เคมีบรรยากาศวิศวกรรมเคมีชีววิทยาเคมีเคมีสารสนเทศเคมีสิ่งแวดล้อมธรณีเคมีเคมีสีเขียว เคมีภูมิคุ้มกันเคมีทางทะเล วิทยาศาสตร์วัสดุเคมีเชิงกลเคมีทางการแพทย์ชีววิทยาระดับโมเลกุลนาโนเทคโนโลยีวิทยาการผลิตไวน์เภสัชวิทยาเคมีพืชเคมีของแข็ง วิทยาศาสตร์พื้นผิวเคมีเชิงความร้อนและอื่นๆ อีกมากมาย

อุตสาหกรรมเคมีถือเป็นกิจกรรมทางเศรษฐกิจที่สำคัญทั่วโลก ในปี 2556 ผู้ผลิตเคมีภัณฑ์ 50 อันดับแรกของโลกมียอดขาย 980.5 พันล้าน ดอลลาร์สหรัฐโดยมีอัตรากำไรสุทธิ 10.3% ^{[ 87 ]}