Materie bestaat uit chemische elementen. De zuivere vormen van deze chemische elementen kan je aflezen uit de tabel van Mendeljev. Deze elementen kunnen combinaties vormen met elkaar. Combinaties van atoomsoorten worden samengestelde stoffen genoemd of compounds in het Engels. Zij worden met elkaar verbonden door middel van bindingen of bonds.

Atomen bevatten grotendeels lege ruimte. Als twee atomen bij elkaar in de buurt komen tijdens een elektrische reactie, dan komen de nuclei of kernen niet dicht genoeg bij elkaar om met elkaar te kunnen interageren. Wat wel kan reageren zijn de elektronen. Op basis van hun fysische eigenschappen wordt duidelijk hoe ze dat doen. 

De elektronen van een atoom verschillen van elkaar in de hoeveelheid energie die ze bezitten. Energie is de capaciteit die nodig is om verandering te veroorzaken. Het veroorzaken van verandering wordt het verrichten van ‘arbeid’ genoemd. Potentiële energie is de energie die materie bevat omwille van de locatie waar het zich bevindt en de structuur van de elementen waar het uit bestaat.

Elektronen hebben potentiële energie door de manier waarop ze interageren met hun nucleus (door de elektromagnetische kracht die op hen wordt uitgeoefend). Het kost arbeid om van de nucleus weg te bewegen. Hoe meer afstand er tussen elektronen en de atoomkern zit, hoe groter de potentiële energie.

Indien een negatief geladen elektron aangetrokken wordt door de positief geladen protonen van een andere atoomkern, kan de elektron van de ene atoom naar de andere verhuizen. Maar bewegen kost energie. Deze energie wordt opgeslagen in pakketjes of fotonen. Energie kan alleen in deze pakketjes opgenomen of afgestoten worden en is met andere woorden gekwantificeerd. Fotonen zijn dus pakketjes van energie. Deze pakketjes hebben verschillende waarden of frequenties. Sommige frequenties nemen wij waar als licht, andere als warmte.  

Zie afbeelding: lichtspectrum.

Atomen worden voorgesteld als een atoomkern met daarrond krachtvelden. Deze krachtvelden worden valentieschillen genoemd.

Energie is gekwantificeerd. Wanneer atomen met elkaar interageren, kan een elektron die voorheen onder de aantrekkingskracht van een bepaalde atoomkern stond onder de aantrekkingskracht van een andere atoomkern terechtkomen. Maar het kan dat alleen doen in bepaalde sprongen.

Per sprong die de elektron neemt, stoot het een foton af of neemt het een foton op. Als de elektron onder de aantrekkingskracht van een andere atoomkern terechtkomt, zal het van de eerste atoomkern wegbewegen. Dat doet het door een foton op te nemen. De potentiële energie van de elektron zal dan stijgen. Wanneer een elekron naar een atoomkern toe beweegt, stoot het een foton af.

Voorbeeld: De zon schijnt op een plant en zendt fotonen uit. Een van die fotonen wordt geabsorbeerd door een elektron. De elektron krijgt nu een grotere potentiële energie en beweegt verder van de atoomkern.

Chemische reacties vormen en verbreken bindingen. Een samengestelde stof (compound in het Engels) is een substantie die bestaat uit twee of meer verschillende elementen die in een vaste ratio met elkaar worden gecombineerd. Een voorbeeld hiervan is keukenzout of natriumchloride. Natriumchloride is een combinatie van natrium en chloride atomen. Zij combineren zich met elkaar in een 1:1 ratio. Water bestaat uit waterstof en zuurstofatomen en zij verhouden zich in een 2:1 verhouding. Per iedere zuurstofatoom, zijn er twee waterstofatomen.

Een structuurtje van twee of meer atomen die samengehouden worden door middel van een covalente binding, wordt een molecule genoemd. De vorming en functie van moleculen is afhankelijk van de chemische bindingen tussen atomen. Atomen met incomplete valentieschillen kunnen interageren met andere atomen met incomplete valentieschillen. Dat gebeurt op zo’n manier dat de valentieschillen van beide atomen compleet raakt. De atomen delen dan valentie-atomen of staan er af aan de andere atoom. Op die manier vormen ze stabielere structuren. Deze interacties zorgen ervoor dat dat de atomen dicht bij elkaar blijven. De aantrekkingskracht die de atomen samenhouden worden chemische bindingen genoemd. De mate waarin bepaalde atomen de valentie-elektronen aantrekken, kan variëren, afhankelijk van het element.

De aantrekkingskracht van een bepaald atoom op de elektronen in een binding wordt de elektronegativiteit genoemd. Hoe sterker de aantrekkingskracht op een valentie-elektron is, hoe sterker de elektronegativiteit van die atoom.

Bij covalente bindingen kunnen de atomen in gelijke mate aantrekkingskracht uitoefenen op de gedeelde elektronen. In dat geval wordt de binding nonpolair genoemd. Wanneer één atoom een sterkere aantrekkingskracht uitoefent op de gedeelde elektronen, wordt de binding polair genoemd.

In sommige gevallen is de aantrekkingskracht van een bepaald atoom op de gedeelde elektronen zo sterk dat het elektron uit de invloedssfeer van de andere atoom loskomt en zich volledig rond de andere atoom vestigt. Wanneer dit gebeurt, heeft men het over een ionische binding. Een voorbeeld hiervan is de combinatie van natrium en chloride. Eén van de elektronen rond het natriumatoom wordt tijdens de binding aangetrokken door het chloride-atoom en vestigt zich rond het chloride atoom.

Covalente bindingen en ionbindingen worden sterke bindingen genoemd. Deze bindingen zijn vrij definitief. Atomen kunnen ook tijdelijk een binding vormen. Dit soort bindingen worden zwakke bindingen genoemd. Voorbeelden van zwakke bindingen zijn waterstofbindingen en Van der Waal interacties.

Waterstofbindingen komen frequent voor in levende organismes. Twee atomen kunnen dan kort een binding vormen, informatie uitwisselen met elkaar en vervolgens weer van elkaar scheiden om nieuwe bindingen te vormen. Waterstofbindingen zijn non-covalente bindingen tussen een waterstofatoom en een elektronegatieve atoom. In levende cellen zijn de elektronegatieve partners meestal zuurstof (O) of nitrogen (N). Ze vormen dan respectievelijk water (H2O) en ammoniak (NH3).

Een molecule kan ook positiever of negatiever geladen stukjes hebben in zijn structuur zelf. Het resultaat hiervan zijn voortdurend veranderende regio’s met afwisselend positiever of negatiever geladen stukjes. Deze zwakke bindingen worden Van der Waal reacties genoemd en komen alleen voor als atomen heel dicht bij elkaar in de buurt komen. Van der Waal reacties zijn de reden dat gekko’s rechtop tegen de muur kunnen lopen. Een gekko heeft wel honderdduizenden kleine haartjes op zijn pootjes. Die haartjes hebben elk verschillende projecties waardoor hun reikwijdte nog groter wordt. De interactie tussen de moleculen van de haartopjes met de moleculen van de muur zijn zo talrijk dat ze in hun geheel de gekko tegen de muur kunnen houden als die zich heel snel voortbeweegt.