Всі атоми складаються з позитивно зарядженого ядра, оточеного негативно зарядженими електронами. Найбільш віддалені електрони - валентні електрони - здатні взаємодіяти з іншими атомами і, залежно від того, як вони електрони взаємодіють з іншими атомами, утворюється або іонний, або ковалентний зв’язок, і атоми зливаються між собою, утворюючи молекула.
Електронні оболонки
Кожен елемент оточений певною кількістю електронів, які заселяють електронні орбіталі. Для кожної орбіталі потрібні два електрони, щоб бути стабільними, а орбіталі організовані в оболонки, причому кожна наступна оболонка має вищий енергетичний рівень, ніж попередня. Найнижча оболонка містить лише одну електронну орбіталь, 1S, і, отже, для стабільності потрібні лише два електрони. Друга оболонка (та всі наступні) містить чотири орбіталі - 2S, 2Px, 2Py та 2Pz (по одному P для кожної осі: x, y, z) - і вимагає, щоб вісім електронів були стабільними.
Спускаючись по рядках Періодичної системи елементів, навколо кожного елемента існує нова оболонка з 4 електронних орбіталей, з тією ж установкою, що і друга оболонка. Наприклад, водень у першому ряді має лише першу оболонку з однією орбіталлю (1S), тоді як хлор у третьому ряду має перша оболонка (1S орбітальна), друга оболонка (2S, 2Px, 2Py, 2Pz орбіталі) і третя оболонка (3S, 3Px, 3Py, 3Px орбіталі).
Примітка: Цифра перед кожною орбіталлю S та P є ознакою оболонки, в якій знаходиться ця орбітала, а не кількості.
Валентні електрони
Електрони у зовнішній оболонці будь-якого даного елемента є його валентними електронами. Оскільки всі елементи хочуть мати повну зовнішню оболонку (вісім електронів), це електрони, якими вона є готовий або ділитися з іншими елементами, утворюючи молекули, або повністю відмовитися, щоб стати іон. Коли елементи діляться електронами, утворюється міцний ковалентний зв’язок. Коли елемент віддає зовнішній електрон, в результаті виникають протилежно заряджені іони, які утримуються разом більш слабким іонним зв’язком.
Іонічні зв’язки
Всі елементи починаються зі збалансованого заряду. Тобто кількість позитивно заряджених протонів дорівнює кількості негативно заряджених електронів, що призводить до загального нейтрального заряду. Однак іноді елемент з одним електроном в електронній оболонці віддасть цей електрон іншому елементу, якому для завершення оболонки потрібен лише один електрон.
Коли це трапляється, вихідний елемент опускається до повної оболонки, а другий електрон завершує свою верхню оболонку; обидва елементи тепер стабільні. Однак, оскільки кількість електронів і протонів у кожному елементі вже не рівна, елемент, який отриманий електрон тепер має чистий негативний заряд, а елемент, який віддав електрон, має чистий позитивний заряд заряду. Протилежні заряди викликають електростатичне притягання, яке щільно зближує іони в кристалічну формацію. Це називається іонним зв’язком.
Прикладом цього є той факт, коли атом натрію віддає свій єдиний 3S-електрон, щоб заповнити останню оболонку атома хлору, якій для стабілізації потрібен лише ще один електрон. Це створює іони Na- і Cl +, які зв’язуються між собою, утворюючи NaCl, або звичайну кухонну сіль.
Ковалентні зв’язки
Замість того, щоб віддавати або приймати електрони, два (або більше) атоми можуть також спільно використовувати електронні пари, щоб заповнити свої зовнішні оболонки. Це утворює ковалентний зв’язок, і атоми зливаються між собою в молекулу.
Прикладом цього є випадки, коли два атоми кисню (шість валентних електронів) стикаються з вуглецем (чотири валентні електрони). Оскільки кожен атом хоче мати у своїй зовнішній оболонці вісім електронів, атом вуглецю ділиться з двома своїми валентними електронами кожен атом кисню, завершуючи свої оболонки, тоді як кожен атом кисню ділить два електрони з атомом вуглецю, щоб завершити його оболонка. Отриманою молекулою є вуглекислий газ або СО2.