一群彼此键结的原子，而化学反应可以描述为化学键的生成及断裂。物理化学的一个主要概念就是根据化合物的原子及其键结的性质来预测化合物的性质。若要准确的描述原子及键结，需要知道原子的原子半径以及其电子的分佈方式<br>。量子化学是物理化学的一个分支，主要是将量子力学应用在化学问题上，有一些工具可以确认键结的强度及化学键的形状、原子移动的方式、及化合物的吸收光谱或发射光谱。光谱学是物理化学中的一个子学科，关注物质和电磁辐射之间的交互作用。化学中另一个重要的问题是哪些反应会自然发生，特定化合物混合后会有什么特质？