Các khái niệm chính của hóa lý là cách thức mà vật lý thuần túy được áp dụng cho các vấn đề hóa học.

Một trong những khái niệm quan trọng trong hóa học cổ điển là tất cả các hợp chất hóa học có thể được mô tả là các nhóm nguyên tử liên kết với nhau và các phản ứng hóa học có thể được mô tả là sự tạo ra và phá vỡ các liên kết đó. Dự đoán tính chất của các hợp chất hóa học từ mô tả các nguyên tử và cách chúng liên kết là một trong những mục tiêu chính của hóa lý. Để mô tả chính xác các nguyên tử và liên kết, cần phải biết cả hạt nhân của các nguyên tử đó và cách thức các electron được phân phối xung quanh chúng.[2]

Hóa học lượng tử, một lĩnh vực của hóa lý đặc biệt liên quan đến việc ứng dụng cơ học lượng tử vào các vấn đề hóa học, cung cấp các công cụ để xác định mức độ mạnh và liên kết hình dạng là gì,[2] hạt nhân di chuyển như thế nào và ánh sáng có thể được hấp thụ hoặc phát ra bởi một hóa chất hợp chất.[3] Quang phổ học là ngành học phụ liên quan của hóa lý, đặc biệt liên quan đến sự tương tác của bức xạ điện từ với vật chất.

Một tập hợp câu hỏi quan trọng khác trong hóa học liên quan đến loại phản ứng nào có thể xảy ra một cách tự nhiên và tính chất nào có thể có đối với một hỗn hợp hóa học nhất định. Điều này được nghiên cứu trong nhiệt động hóa học, đặt ra các giới hạn về số lượng như phản ứng có thể tiến hành bao xa, hoặc có thể chuyển đổi bao nhiêu năng lượng thành công việc trong động cơ đốt trong và cung cấp các liên kết giữa các tính chất như hệ số giãn nở nhiệt và tốc độ thay đổi của entropy với áp suất cho chất khí hoặc chất lỏng.[4] Nó có thể thường xuyên được sử dụng để đánh giá xem một lò phản ứng hoặc thiết kế động cơ có khả thi hay không, hoặc để kiểm tra tính hợp lệ của dữ liệu thực nghiệm. Ở một mức độ hạn chế, nhiệt động học bán cân bằng và không cân bằng có thể mô tả những thay đổi không thể đảo ngược.[5] Tuy nhiên, nhiệt động học cổ điển chủ yếu liên quan đến các hệ thống ở trạng thái cân bằng và thay đổi thuận nghịch và không phải là những gì thực sự xảy ra, hoặc nhanh như thế nào, ra khỏi trạng thái cân bằng.

Những phản ứng nào xảy ra và nhanh như thế nào là chủ đề của động học hóa học, một nhánh khác của hóa lý. Một ý tưởng quan trọng trong động học hóa học là để các chất phản ứng phản ứng và tạo thành sản phẩm, hầu hết các loài hóa học phải trải qua trạng thái chuyển tiếp có năng lượng cao hơn cả chất phản ứng hoặc sản phẩm và đóng vai trò là rào cản đối với phản ứng.[6] Nói chung, rào cản càng cao, phản ứng càng chậm. Thứ hai là hầu hết các phản ứng hóa học xảy ra như một chuỗi các phản ứng cơ bản,[7] mỗi phản ứng có trạng thái chuyển tiếp riêng. Các câu hỏi chính trong động học bao gồm tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ chất phản ứng và chất xúc tác trong hỗn hợp phản ứng, cũng như cách xúc tác và điều kiện phản ứng có thể được thiết kế để tối ưu hóa tốc độ phản ứng.

Thực tế là các phản ứng xảy ra nhanh như thế nào thường có thể được chỉ định chỉ với một vài nồng độ và nhiệt độ, thay vì cần biết tất cả các vị trí và tốc độ của mọi phân tử trong hỗn hợp, là một trường hợp đặc biệt của một khái niệm quan trọng khác trong hóa lý, trong đó là ở mức độ mà một kỹ sư cần biết, mọi thứ diễn ra trong một hỗn hợp gồm số lượng rất lớn (có lẽ là thứ tự của hằng số Avogadro, 6 x1023) của các hạt thường có thể được mô tả chỉ bằng một vài biến như áp suất, nhiệt độ và nồng độ Những lý do chính xác cho điều này được mô tả trong cơ học thống kê,[8] một chuyên ngành trong hóa lý cũng được chia sẻ với vật lý. Cơ học thống kê cũng cung cấp các cách để dự đoán các tính chất mà chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày từ các tính chất phân tử mà không dựa vào mối tương quan thực nghiệm dựa trên sự tương đồng hóa học.[5]