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理论化学从物理的理论去解释各种化学现象的学门。计算化学由于分子体系的复杂性，分子的反应，动态，结构，经常是无法完全以量子力学做计算的。因此计算化学提供各种简约的计算方法，来预测并辅助实验结果的推断。实用性上已有诺贝尔奖的肯定，如1998年获诺贝尔化学奖的密度泛函方法。
生物化学是研究生物体内发生的化学反应和相互作用的学科，被应用于研究细胞中各组分（例如：蛋白质，碳水化合物，脂类，核酸以及其他生物分子）的结构和功能。生物化学被广泛应用于蛋白质各项化学性质的研究，特别是应用于酶促反应的研究。热化学是以热力学的观点来研究化学，以焓、熵等状态函数来描述和预言化学物质稳定性和化学反应发生的结果。电化学是研究各种因为电推动而发生的化学作用或者会在运作途中产生电力的化学作用的科学学门。生活中常见的各种电池就是电化学的研究成果。
光化学研究各种化学物质，受到各种频率光线照射之后的化学反应变化。药物化学研究化学物质怎样用于药剂中，从而改变药剂的功效，做出医疗的作用。它其实是几个化学门派，包括有机化学、无机化学、生物化学、物理化学，及几个不属于化学的科学学门，包括：药剂学、分子生物学和统计学的结合。
量子化学用量子力学及其他纯理论手段解释各种化学现象。核子化学研究不同的次原子粒子怎样走在一起，形成一个原子核，及研究一个原子核中的物质如何变化。
放射化学是化学的一个分支，旨在研究那些参与化学反应的物质属于或带有放射性同位素的化学反应的一门学科。例如：采用碘的放射性同位素125I标记各种蛋白质或激素，以便利用放射免疫分析技术，检测血清标本之中相应物质的浓度。
天体化学研究外太空的化学物质，分析它们的成分、结构与地球上的物质有什么不同。大气化学是一种对地球大气层及其他星球的大气层的研究。大气化学都会研究环境变化途中发生过什么化学反应，是大气科学的一个重要分支学科。
环境化学研究化学物质进入不同自然环境，经物理、化学、生物反应后，形成的产物是否对人体及生态造成危害。绿色化学研究怎样从化学角度减低污染。
资讯化学用电脑去解决化学上的问题。地球化学研究地壳中各种物质的化学特性，解释它们的构造。石油化学从化学角度研究石油及天然气的特性及炼油技术。
高分子化学研究比较大的分子，即是高分子，例如发泡胶怎样造出来和有些什么特性。高分子化学亦会研究怎样令很多分子结合为一粒高分子。
超分子化学研究共价键以外各种化学键，例如：氢键、范德华力、疏水效应的运作。
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