化学从根本上可以理解为对原子和分子的研究。 在本单元中，我们将研究揭示所有物质都是由原子结合成分子的实验。 对这些实验的巧妙分析体现了科学推理的精髓，使我们能够理解无法直接观察到的粒子的存在和性质。 此外，通过测量不同类型原子的相对质量，我们可以开始预测化学反应中反应物和生成物的质量比。

证明原子的存在和知道它们结合形成分子，并不能提供预测这些原子如何或为何结合的方法。 这就需要更详细地了解单个原子的结构和性质。 在本单元中，我们将通过观察原子的内部结构，包括原子核周围电子的排列模型，来扩展我们对原子的认识。

电子外壳模型无法解释原子的所有可观测特性，包括电子的能量和运动。 在本模块中，我们观察到这些能量是量子化的。 我们还将观察到一些行为，这些行为揭示了一个惊人的事实：电子运动是由波或 "轨道 "描述的，这些波或 "轨道 "提供了电子围绕原子核运动的概率。 本单元将带我们进入量子力学的奇异世界。

要了解可形成的化合物类型以及这些化合物的性质，我们必须了解原子是如何结合在一起形成分子的。 在本单元中，我们将建立一个非金属原子与非金属原子结合的模型，称为共价键。 该模型可用于预测哪些原子组合是稳定的，哪些是不稳定的。 通过对分子结构的观察，我们建立了一个模型来了解分子几何结构以及与这些几何结构相关的性质。 由此，我们奠定了理解和预测分子结构与分子反应性和功能的关系的基础。

在本单元中，我们将通过观察金属和非金属之间形成的化合物的性质来扩展我们的成键模型。 这些性质揭示了离子键的存在，与共价键形成鲜明对比。 我们还考虑了纯金属和金属化合物的性质，从而建立了一个解释金属原子间结合的模型。 我们开发了一种方法来区分和预测三种类型的键：共价键、离子键和金属键。

化学反应涉及能量变化，最常见的是热量传入或传出反应。 许多化学反应的发生都是为了释放热量或其他形式的能量。 在本模块中，我们将开发一种测量这些能量转移的方法，并利用这些测量结果来制定管理能量转移的定律。 通过这些定律，我们可以计算和预测反应过程中的能量变化，并根据反应过程中原子间断裂和形成的键的能量来理解反应的能量。

化学的力量之一就是能够将单个分子的特性与这些分子化合物的物理和化学特性联系起来。换句话说，我们希望将原子分子世界与材料的宏观世界联系起来。 我们从观察气体的物理特性开始这项研究，并推导出一个将这些特性联系起来的等式。 根据这一定律，我们可以设计出一个模型，来描述这些物理特性是如何从单个分子的特性和运动中产生的。 了解温度的意义是本研究的关键部分。

物质可以以不同的物理状态存在，我们称之为 "相"。 这些状态包括固态、液态和气态。 在本模块中，我们将研究这些相之间的转变，据观察，只有在特定的温度和压力组合下才会发生转变。 此外，我们还观察到，在特定温度和压力下，各相之间处于平衡状态。 根据观察结果，我们将利用上一单元中推导出的动力学分子理论概念，建立一个描述相平衡的模型。

化学反应发生的速率各不相同，有些反应发生得非常缓慢，以至于我们只有在时间流逝得很快时才会注意到它们，而有些反应则发生得非常迅速。 在本模块中，我们将对反应速率进行测量，确定能使反应进行得更快或更慢的因素。 这些观察结果被总结在称为速率定律的方程式中，其中每个反应都有自己的经验速率定律。 通过使用动力学分子理论，我们建立了一个模型，以了解速率定律中的每个因素如何以及为何对决定化学反应速率非常重要。

许多化学反应都可以观察到 "完全反应"，这意味着在反应的化学计量学限制范围内，在生成生成物时基本上消耗了所有的反应物。 然而，其他化学反应并不完全。 相反，我们观察到反应物和生成物可以在特定的可观测浓度或压力下同时共存。 据观察，反应物和生成物之间的这种平衡遵循一个称为平衡常数的方程式。 在本单元中，我们将观察许多处于平衡状态的反应实例，测量它们的平衡常数，并利用这些平衡常数来预测如何最大限度地提高化学反应的产率。 这些重要反应包括涉及酸和碱的反应。

化学最微妙的方面之一是理解使化学反应有利或不利的因素。 在本单元中，我们将通过观察是什么使一个过程具有 "自发性 "来理解这一点，并将熵的概念作为自发性的预测工具。 我们观察热力学第二定律，并由此建立一个基于 "自由能 "这一新量的化学平衡预测模型。 最后，我们将自由能与前一单元中观察到的平衡常数联系起来，最终形成了所有科学中最美丽的理论之一。