새로운 화학 원자, 즉 원소는 원자핵에 다른 양성자가 추가될 때마다 결과를 낳습니다. 양성자가 연속적으로 추가되면 우주에 존재한다고 알려진 모든 범위의 원소가 생성됩니다. 서로 다른 두 개 이상의 원소가 원자결합을 통해 결합하면 화합물이 생성됩니다. 이러한 결합은 전자쌍의 결과이며, 모든 구조화학의 기초가 됩니다. 이온결합과 공유결합: 서로 다른 두 원자가 서로 접근할 때, 바깥쪽 궤도의 전자는 두 가지 다른 방식으로 반응할 수 있습니다. 원자 A의 가장 바깥쪽 원자 궤도의 전자는 바깥쪽이지만 안정적인 원자 B의 궤도로 완전히 이동할 수 있습니다. 그 결과로 대전된 원자 A+와 B-를 이온이라고 하며, 이들 사이에 끌어당기는 정전기적 힘에 의해 이온 결합이라고 하는 것이 발생합니다. 대부분의 원소는 이온 결합을 형성할 수 있으며, 그 결과로 생성되는 물질은 일반적으로 양이온과 음이온의 3차원 배열로 존재합니다. 이온 화합물은 종종 높은 녹는점을 갖는 결정질 고체입니다. 원자 A와 B의 바깥쪽 전자 두 개가 A와 B의 접근법에 반응할 수 있는 두 번째 방법은 짝을 지어 공유결합을 만드는 것입니다. 전자를 입자로 엄격하게 다루는 원자가 결합 모형이라고 알려진 단순한 관점에서 보면, 짝을 이룬 두 개의 전자는 두 핵 사이에 있다고 가정하고 원자 A와 B에 의해 동등하게 공유되어 공유결합이 됩니다. 하나 이상의 공유결합으로 결합된 원자는 분자를 구성합니다. 수소 기체는 수소 분자로 구성되어 있고, 수소 원자는 차례로 공유결합으로 연결된 두 개의 수소 원자로 구성되어 있습니다. 수소 기체의 표기법 H2를 분자식이라고 합니다. 분자식은 분자를 구성하는 원자의 수와 종류를 나타냅니다. H2 분자는 일반적으로 수소 기체와 관련된 특성을 담당합니다. 지구상의 대부분의 물질은 분자를 기본적인 화학 단위로 공유결합을 하고 있으며, 분자의 특성은 구성 원소의 특성과는 전혀 다릅니다. 예를 들어 이산화탄소의 물리, 화학적 특성은 순수한 탄소와 순수한 산소의 특성과는 상당히 다릅니다. 공유결합을 국소화된 전자쌍으로 해석하는 것은 결합상황을 지나치게 단순화한 것입니다. 전자의 파동성을 고려한 결합을 보다 포괄적으로 설명하는 것이 분자궤도설입니다. 이 이론에 따르면 분자 내의 전자는 원자간에 국한되어 있지 않고 분자궤도에 의해 기술된 공간분포로 분자 내의 모든 원자에 분포되어 있습니다. 이러한 궤도는 결합한 원자의 원자궤도가 서로 결합할 때 발생합니다. 분자 내에 존재하는 분자궤도의 총수는 결합 전의 구성 원자 내의 모든 원자궤도의 합과 같습니다. 따라서 원자 A와 원자 B가 단순하게 결합하여 분자 AB를 형성하기 위해서는 원자궤도 2개가 결합하여 분자궤도 2개를 생성합니다. 그중 하나인 소위 결합 분자궤도는 A와 B 원자를 모두 감싸고 있는 공간 영역을 나타내고, 다른 하나인 결합 반대 분자궤도는 두 개의 엽이 있으며, 둘 다 두 원자 사이의 공간을 차지하지 않습니다. 결합 분자궤도는 두 원자궤도보다 낮은 에너지 준위에 있는 반면, 결합 분자궤도는 높은 에너지 준위에 있습니다. A와 B 사이의 공유결합을 구성하는 두 쌍의 전자가 결합 분자궤도를 차지하고 있습니다. 이 때문에 A와 B 사이의 전자를 찾을 확률이 높지만 궤도의 다른 곳에서도 발견할 수 있습니다. 결합에 관여하는 전자는 두 개뿐이고 둘 다 낮은 에너지궤도에 수용될 수 있기 때문에 결합 반대 궤도는 사람이 살지 않는 상태로 남아 있습니다. 이 결합이론은 결합 후 쌍을 이루는 전자의 에너지가 결합 전의 원자궤도에 있는 두 전자의 에너지보다 적기 때문에 A와 B 사이의 결합이 일어날 것으로 예측합니다. 따라서 공유결합의 형성이 에너지적으로 유리합니다. 계는 더 높은 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 중 하나가 됩니다. 이 결합 그림의 또 다른 특징은 전자가 결합 분자 궤도에서 반결합 분자 궤도로 이동하는 데 필요한 에너지를 예측할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 이러한 전자 여기에 필요한 에너지는 가시광선에 의해 제공될 수 있으며, 흡수된 빛의 파장은 흡수된 분자가 나타내는 색을 결정합니다. 예를 들어, 꽃의 색소가 자연광의 붉은 광선을 흡수하고 푸른색을 더 많이 반사하기 때문에 제비꽃은 파란색입니다. 분자 내의 원자 수가 증가함에 따라 분자 궤도의 수 또한 증가합니다. 큰 분자의 분자 궤도 계산은 수학적으로 어렵지만, 컴퓨터는 여러 큰 분자의 파동 방정식을 결정할 수 있게 해주었습니다. 이러한 계산에 의해 예측된 분자 특성은 실험 결과와 상관관계가 좋습니다. 이성질체: 많은 원소가 2개 이상의 공유결합을 형성할 수 있지만, 오직 몇 개만이 공유결합의 연장된 사슬을 형성할 수 있습니다. 가장 뛰어난 예는 탄소인데, 탄소는 무려 4개의 공유결합을 형성할 수 있고, 자신과 무한정 결합할 수 있습니다. 탄소는 총 6개의 전자를 가지고 있는데, 그중 2개는 원자핵에서 가장 가까운 원자 궤도에서 짝을 이루고 있습니다. 나머지 4개는 원자핵에서 더 멀리 떨어져 있고 공유결합이 가능합니다. 수소가 충분히 존재하면 탄소가 반응하여 메탄, CH4가 생성됩니다. 네 개의 전자쌍이 모두 가장 낮은 에너지의 네 개의 분자 궤도를 차지할 때, 분자는 탄소가 중심에 있고 수소 원자가 네 개의 정점에 있는 사면체 모양이라고 가정합니다. C-H 결합 길이는 110피코미터이고, 인접한 C-H 결합 사이의 각도는 110°에 가깝습니다. 이와 같은 사면체 대칭은 많은 탄소 화합물에 공통적이며 흥미로운 구조적 가능성을 초래합니다.
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