La chimie peut être considérée fondamentalement comme l'étude des atomes et des molécules. Dans ce module, nous examinerons les expériences qui révèlent que toute matière est composée d'atomes qui se combinent pour former des molécules. L'analyse intelligente de ces expériences illustre le raisonnement scientifique dans toute sa splendeur, en nous permettant de comprendre l'existence et les propriétés de particules qui ne pouvaient pas être observées directement. De plus, en mesurant les masses relatives des différents types d'atomes, nous pouvons commencer à prédire les rapports des masses des réactifs et des produits lors d'une réaction chimique.

Prouver l'existence des atomes et savoir qu'ils se combinent pour former des molécules ne permet pas de prédire comment ou pourquoi ces atomes peuvent se combiner. Il faut pour cela disposer de plus de détails sur la structure et les propriétés des atomes individuels. Dans ce module, nous approfondissons notre compréhension des atomes en faisant des observations qui révèlent la structure interne de l'atome, y compris un modèle d'arrangement des électrons autour du noyau atomique.

Le modèle de l'enveloppe électronique ne rend pas compte de toutes les propriétés observables des atomes, y compris les énergies et les mouvements des électrons. Dans ce module, nous observons que ces énergies sont quantifiées. Nous observons également des comportements qui révèlent le fait surprenant que le mouvement des électrons est décrit par des ondes ou des "orbitales" qui fournissent la probabilité du mouvement des électrons autour du noyau. Ce module nous entraîne dans le monde étrange de la mécanique quantique.

Pour comprendre les types de composés qui peuvent être formés et les propriétés de ces composés, nous devons comprendre comment les atomes se lient pour former des molécules. Dans ce module, nous développons un modèle pour la liaison d'atomes non métalliques à des atomes non métalliques, appelée liaison covalente. Le modèle peut être utilisé pour prédire quelles combinaisons d'atomes sont stables et lesquelles sont instables. Les observations des structures des molécules conduisent à un modèle permettant de comprendre les géométries moléculaires et les propriétés liées à ces géométries. À partir de là, nous construisons une base pour comprendre et prédire comment la structure moléculaire est liée à la réactivité et à la fonction des molécules.

Dans ce module, nous étendons notre modèle de liaison en observant les propriétés des composés formés entre des métaux et des non-métaux. Ces propriétés révèlent l'existence de liaisons ioniques, qui s'opposent aux liaisons covalentes. Nous examinons également les propriétés des métaux purs et des composés métalliques, pour aboutir à un modèle qui explique la liaison entre les atomes des métaux. Nous développons un moyen de différencier et de prédire les trois types de liaisons : covalente, ionique et métallique.

Les réactions chimiques impliquent des changements d'énergie, le plus souvent par le transfert de chaleur à l'intérieur ou à l'extérieur de la réaction. De nombreuses réactions chimiques sont réalisées spécifiquement pour libérer de la chaleur ou d'autres formes d'énergie. Dans ce module, nous développons un moyen de mesurer ces transferts d'énergie et nous utilisons ces mesures pour développer des lois qui régissent les transferts d'énergie. Ces lois nous permettent de calculer et de prévoir les changements d'énergie au cours des réactions et de comprendre l'énergie d'une réaction en termes d'énergie des liaisons entre les atomes qui se brisent et se forment au cours d'une réaction.

L'un des pouvoirs de la chimie est la capacité de relier les propriétés des molécules individuelles aux propriétés physiques et chimiques des composés de ces molécules. En d'autres termes, nous voulons relier le monde atomique et moléculaire au monde macroscopique des matériaux. Nous commençons cette étude en observant les propriétés physiques des gaz et en dérivant une équation qui relie ces propriétés. À partir de cette loi, nous pouvons concevoir un modèle qui décrit comment ces propriétés physiques résultent des propriétés et des mouvements des molécules individuelles. Comprendre l'importance de la température est un élément essentiel de cette étude.

Les substances peuvent exister dans différents états physiques, que nous appelons "phases" Celles-ci comprennent les solides, les liquides et les gaz. Dans ce module, nous étudions les transitions entre ces phases, qui ne se produisent que pour des combinaisons spécifiques de température et de pression. En outre, nous observons que les phases existent en équilibre les unes avec les autres à ces températures et pressions spécifiques. Nous développons à partir de nos observations un modèle pour décrire l'équilibre des phases en utilisant les concepts de la théorie cinétique moléculaire déduite dans le module précédent.

Les réactions chimiques se produisent à des rythmes très différents, certaines se produisant si lentement que nous ne les remarquons qu'au bout d'un certain temps, et d'autres se produisant à une vitesse explosive. Dans ce module, nous mesurons les vitesses de réaction et déterminons les facteurs qui peuvent accélérer ou ralentir une réaction. Ces observations sont résumées dans des équations appelées lois de vitesse, où chaque réaction possède sa propre loi de vitesse empirique. En utilisant la théorie cinétique moléculaire, nous développons un modèle pour comprendre comment et pourquoi chaque facteur de la loi de vitesse est important pour déterminer la vitesse d'une réaction chimique.

De nombreuses réactions chimiques sont observées jusqu'à leur terme, ce qui signifie que la quasi-totalité des réactifs est consommée pour créer des produits dans les limites de la stœchiométrie de la réaction. Cependant, d'autres réactions chimiques ne vont pas jusqu'à leur terme. Nous observons plutôt que les réactifs et les produits peuvent coexister simultanément à des concentrations ou des pressions spécifiques observables. Cet équilibre entre les réactifs et les produits suit une équation appelée constante d'équilibre. Dans ce module, nous observons de nombreux exemples de réactions à l'équilibre, nous mesurons leurs constantes d'équilibre et nous les utilisons pour faire des prédictions sur la manière de maximiser le rendement des réactions chimiques. Parmi ces réactions importantes figurent celles qui impliquent des acides et des bases.

L'un des aspects les plus subtils de la chimie consiste à comprendre les facteurs qui rendent une réaction chimique favorable ou défavorable. Dans ce module, nous poursuivons cette compréhension en observant ce qui rend un processus "spontané", et nous développons le concept d'entropie en tant qu'outil de prédiction de la spontanéité. Nous observons la deuxième loi de la thermodynamique et, à partir de là, nous développons un modèle de prévision de l'équilibre chimique basé sur une nouvelle quantité appelée "énergie libre" Nous concluons en reliant l'énergie libre à la constante d'équilibre observée dans un module précédent, pour aboutir à l'une des plus belles théories de toute la science.