Gli atomi si combinano dando e accettando elettroni con carica negativa, formando un legame ionico, o condividendo elettroni, formando un legame covalente. Tipicamente, i legami ionici si formano tra metalli e non metalli, mentre i legami covalenti si formano solo tra non metalli. Il numero di ossidazione di un atomo rappresenta il numero di elettroni a cui ha dato, accettato o condiviso con altri atomi, e sarà positivo quando ha perso o condiviso elettroni e negativo quando ha guadagnato o condiviso gli elettroni di un altro atomo.
In origine, ossidazione significava combinarsi con l’ossigeno; il processo opposto, la rimozione dell’ossigeno, era noto come riduzione. Ad esempio, quando il calcio si combina con l’ossigeno, l’ossigeno rimuove due elettroni dal calcio, acquisendo una carica di -2, lasciando il calcio con una carica di +2. Si è formato un legame ionico; il calcio è stato ossidato e l’ossigeno ridotto, dando loro numeri di ossidazione rispettivamente di +2 e -2. Il legame covalente comporta anche ossidazione e riduzione: per formare acqua, due atomi di idrogeno si combinano con un atomo di ossigeno, ciascuno condividendo con esso un elettrone. I numeri di ossidazione dei due atomi di idrogeno sono ciascuno +1 e l’atomo di ossigeno -2.
L’ossidazione non deve necessariamente coinvolgere l’ossigeno; oggi ossidazione significa semplicemente perdita di elettroni e riduzione, guadagno di elettroni. Di norma, gli elementi verso l’angolo in basso a sinistra della tavola periodica hanno la maggiore tendenza a perdere elettroni, mentre quelli verso l’angolo in alto a destra hanno la maggiore tendenza ad acquisire elettroni. L’ossigeno ha una forte tendenza a rimuovere elettroni da altri elementi ed è quindi un agente ossidante; tuttavia, anche altri elementi possono ossidarsi. Il fluoro, ad esempio, è un agente ossidante ancora più forte.
Il numero di ossidazione dell’ossigeno è solitamente -2, ma molti elementi possono avere più di un possibile numero di ossidazione. Per il ferro può essere +2 o +3, mentre per l’idrogeno è +1 se combinato con non metalli, come nell’acqua (H2O), ma -1 quando combinato con metalli, come per l’idruro di sodio (Na+H-) , dove accetta un elettrone. Il numero di ossidazione dell’azoto può variare da -3 a +5. I numeri di ossidazione degli ioni in un composto ionico sono equivalenti alle cariche sugli ioni, mentre quelli degli atomi in un composto si sommano sempre a zero.
Gli elementi possono combinarsi per formare ioni che hanno un numero di ossidazione complessivo. Ad esempio, un atomo di zolfo può combinarsi con quattro atomi di ossigeno per formare un gruppo solfato (SO42-) con numero di ossidazione di -2. L’ammoniaca, un composto di azoto e idrogeno con la formula NH3, può combinarsi con un ulteriore atomo di idrogeno per formare il gruppo ammonico NH4+, con numero di ossidazione +1. Questo si comporta come un metallo e forma composti ionici come il solfato di ammonio ((NH4+)2SO42-), dove due gruppi di ammonio si combinano con un gruppo di solfato.