Una delle forze trainanti più fondamentali delle reazioni chimiche sono i legami elettronici formati tra gli atomi. Gli elettroni sono particelle cariche negativamente che orbitano attorno al nucleo di un atomo in gusci. Ogni guscio elettronico di un atomo ha un determinato numero di elettroni che conserva quando possibile anche se sbilancia la carica netta dell’atomo; elettroni e protoni hanno individualmente la stessa quantità di carica elettrica. La quantità di carica di un dato atomo è espressa in apice a destra del nome dell’elemento; ad esempio Na1+. Il numero e il segno in apice sono noti come numero di addebito.
Il guscio elettronico esterno di un atomo è chiamato guscio di valenza ed è la base delle reazioni chimiche. Ogni guscio ha un numero variabile di elettroni: il guscio più interno contiene due elettroni, il successivo ne contiene otto e i successivi ne contengono 18. Il numero di carica deriva dalle tendenze naturali degli atomi ad avere un guscio di valenza completo, sia che si tratti di guadagnare o perdere elettroni. Gli elementi sono organizzati nella tavola periodica in gruppi in base al numero di elettroni nei loro gusci di valenza. Se due elementi si trovano nella stessa colonna, o gruppo, sulla tavola periodica, hanno lo stesso numero di elettroni disponibili per le reazioni chimiche.
Ad eccezione dell’idrogeno, gli elementi sul lato sinistro della tabella – gruppi I e II – sono metalli alcalini e metalli alcalino-terrosi. Hanno gusci di valenza praticamente vuoti, con solo uno o due elettroni rispettivamente. I gruppi da III a VII sono non metalli. Il gruppo III ha tre elettroni, il gruppo IV ne ha 4 e così via. I gas nobili come neon, radon e xeno hanno gusci di valenza completa e quindi non reagiscono con altri elementi.
Il numero di carica determina quale tipo di carica avrà un singolo atomo se guadagna o perde elettroni durante una reazione chimica ionica. Ad esempio, il sodio perde un elettrone quando reagisce con il cloro; il cloro guadagna un elettrone. Le loro rispettive cariche sono 1+ e 1-. Nel loro stato naturale, tutti gli elementi hanno un numero di carica pari a zero perché non c’è guadagno o perdita di elettroni.
Gli elementi di transizione nelle colonne da 3 a 12 della tavola periodica possono legarsi con elementi diversi. Pertanto, i loro numeri di addebito varieranno. Gli elementi del gruppo IV, come il carbonio, hanno un numero di carica di 4+/4-. Tendono a formare legami covalenti con altri atomi, in cui gli elettroni sono condivisi piuttosto che trasferiti.