Atomy to najmniejsze cząsteczki, które zachowują właściwości chemiczne pierwiastka. Składają się z cząstek subatomowych zwanych neutronami, elektronami i protonami. Jony to naładowane atomy lub grupy atomów. Jony mogą być naładowane dodatnio lub ujemnie. Dodatnio naładowane jony nazywane są kationami. Jony naładowane ujemnie nazywane są anionami.
Pierwiastki to podstawowe substancje, zbudowane z atomów, których nie można chemicznie zmienić ani dalej rozłożyć. Atomy składają się z jądra i elektronów orbitalnych. Jądro składa się z protonów i neutronów. Protony to małe cząstki, które mają lekko dodatni ładunek. Neutrony są mniej więcej tej samej wielkości co protony. Nie mają opłat. Elektrony są bardzo małe, nawet mniejsze niż protony i neutrony. Elektrony mają lekko ujemny ładunek. Liczba protonów w jądrze atomu określa, który pierwiastek tworzy atom. Liczba elektronów, w szczególności elektronów walencyjnych, krążących wokół jądra określa reaktywność atomu.
Elektrony krążą wokół jądra atomu, ponieważ przyciągają je dodatnio naładowane protony. Nie przyklejają się do jądra, ponieważ są odpychane przez ujemne ładunki innych elektronów. Elektrony mają tendencję do orbitowania w warstwach zwanych powłokami. Każda powłoka jest „wypełniona”, gdy zawiera oktet ośmiu elektronów. Najbardziej zewnętrzna powłoka zawiera elektrony walencyjne. Elektrony walencyjne określają reaktywność elementu. Atomy różnych pierwiastków mają różną liczbę elektronów. Liczbę elektronów walencyjnych atomu można określić za pomocą układu okresowego. W układzie okresowym jest osiem kolumn, a pierwiastki są zorganizowane w jedną z ośmiu kolumn. Liczba elektronów walencyjnych w elemencie odpowiada jego kolumnie i wynosi od jednego do ośmiu. Gazy szlachetne w kolumnie ósmej mają pełny oktet elektronów walencyjnych i są mało reaktywne.
Gazy szlachetne są bardzo stabilne, ponieważ mają pełną powłokę zewnętrzną. Większość pierwiastków, z wyjątkiem metali ciężkich, lantanowców i aktynowców, podlega zasadzie oktetu. Reguła oktetu mówi, że pierwiastki mają tendencję do ulegania reakcjom, które prowadzą do powstania pełnej powłoki walencyjnej. Atomy z pełnymi powłokami zewnętrznymi nie są zbyt reaktywne, ponieważ są stabilne energetycznie. Atomy wymieniają elektrony w celu zwiększenia stabilności.
Jony powstają, gdy atomy przenoszą elektrony. Wszystkie atomy „chcą” mieć w swoich najbardziej zewnętrznych powłokach pełny oktet elektronów. Atomy z siedmioma elektronami walencyjnymi będą chciały uzyskać jeden elektron, aby mieć w sumie osiem. Zdobycie jednego jest łatwiejsze niż stracenie siedmiu. Atomy z jednym elektronem walencyjnym chcą stracić elektron, aby spaść do pełnej powłoki. Utrata jednego jest łatwiejsza niż zdobycie siedmiu. Elektrony mają ładunek ujemny, więc atomy, które zyskują elektron, aby uzupełnić swój oktet, również zyskują ładunek ujemny i stają się anionami. Atomy, które tracą elektron, tracą ładunek ujemny i stają się kationami. Atomy, które tracą lub zyskują wiele elektronów, tracą lub zyskują wiele ładunków.