Les atomes se combinent en donnant et en acceptant des électrons chargés négativement, formant une liaison ionique, ou partageant des électrons, formant une liaison covalente. En règle générale, des liaisons ioniques se forment entre les métaux et les non-métaux, tandis que les liaisons covalentes se forment uniquement entre les non-métaux. Le nombre d’oxydation d’un atome représente le nombre d’électrons qu’il a donnés, acceptés ou partagés avec d’autres atomes, et sera positif lorsqu’il a perdu ou partagé des électrons et négatif lorsqu’il a gagné ou partagé les électrons d’un autre atome.
À l’origine, l’oxydation signifiait se combiner avec l’oxygène ; le processus opposé, l’élimination de l’oxygène, était connu sous le nom de réduction. Par exemple, lorsque le calcium se combine avec l’oxygène, l’oxygène retire deux électrons du calcium, acquérant une charge de -2, laissant le calcium avec une charge de +2. Une liaison ionique s’est formée ; le calcium a été oxydé et l’oxygène réduit, leur donnant des indices d’oxydation de +2 et -2, respectivement. La liaison covalente implique également une oxydation et une réduction : pour former de l’eau, deux atomes d’hydrogène se combinent avec un atome d’oxygène, chacun partageant un électron avec lui. Les nombres d’oxydation des deux atomes d’hydrogène sont chacun +1 et l’atome d’oxygène -2.
L’oxydation n’a pas besoin d’impliquer l’oxygène ; aujourd’hui, l’oxydation signifie simplement perte d’électrons et réduction, gain d’électrons. En règle générale, les éléments situés dans le coin inférieur gauche du tableau périodique ont la plus grande tendance à perdre des électrons, tandis que ceux situés dans le coin supérieur droit ont la plus grande tendance à gagner des électrons. L’oxygène a une forte tendance à éliminer les électrons des autres éléments et est donc un agent oxydant ; cependant, d’autres éléments peuvent également s’oxyder. Le fluor, par exemple, est un agent oxydant encore plus puissant.
Le nombre d’oxydation de l’oxygène est généralement de -2, mais de nombreux éléments peuvent avoir plus d’un nombre d’oxydation possible. Pour le fer, il peut être de +2 ou +3, tandis que pour l’hydrogène, il est de +1 lorsqu’il est combiné avec des non-métaux, comme dans l’eau (H2O), mais de -1 lorsqu’il est combiné avec des métaux, comme dans l’hydrure de sodium (Na+H-) , où il accepte un électron. L’indice d’oxydation de l’azote peut varier de -3 à +5. Les nombres d’oxydation des ions dans un composé ionique sont équivalents aux charges sur les ions, tandis que ceux des atomes dans un composé s’additionnent toujours à zéro.
Les éléments peuvent se combiner pour former des ions qui ont un nombre d’oxydation global. Par exemple, un atome de soufre peut se combiner avec quatre atomes d’oxygène pour former un groupe sulfate (SO42-) avec un nombre d’oxydation de -2. L’ammoniac, un composé d’azote et d’hydrogène de formule NH3, peut se combiner avec un atome d’hydrogène supplémentaire pour former le groupe ammonium NH4+, avec un indice d’oxydation de +1. Celui-ci se comporte comme un métal et forme des composés ioniques tels que le sulfate d’ammonium ((NH4+)2SO42-), où deux groupes ammonium se combinent avec un groupe sulfate.