Chimica comparativa
Nella tavola periodica, gli elementi con otto elettroni più esterni formano il gruppo noto come i gas nobili (Gruppo 18), il minimo reattivo degli elementi. Gli elementi del gruppo di carbonio (Gruppo 14), con quattro elettroni, occupano una posizione centrale. Gli elementi a sinistra del Gruppo 14 hanno meno di quattro elettroni nel guscio di valenza e tendono a perderli (con le loro cariche negative) per diventare ioni caricati positivamente, rappresentati dal simbolo dellelemento con un apice che indica il numero e il segno del addebiti; tali elementi sono chiamati metalli. I non metalli (eccetto il boro) sono nei gruppi a destra del gruppo 14; ognuno ha più di quattro elettroni nel suo guscio più esterno e tende ad acquisire elettroni per completare il suo ottetto, formando ioni caricati negativamente.
Le reazioni chimiche risultano dallo scambio di elettroni tra gli atomi. In generale, se un metallo perde i suoi pochi elettroni di valenza in un non metallo, gli ioni caricati in modo opposto risultanti vengono attratti luno con laltro e formano un legame, classificato come ionico o elettrovalente. Due non metalli, nessuno dei quali può effettivamente perdere i suoi elettroni di valenza nella reazione chimica, possono tuttavia condividerli a coppie in modo tale che risulti quello che viene chiamato un legame covalente. Gli atomi di metallo si legheranno lun laltro in un terzo tipo di legame, che rilascia i loro elettroni di valenza in un modo che consente loro di condurre lelettricità.
Tutti gli atomi del gruppo del carbonio, che hanno quattro elettroni di valenza, formano legami covalenti con atomi non metallici; carbonio e silicio non possono perdere o guadagnare elettroni per formare ioni liberi, mentre germanio, stagno e piombo formano ioni metallici ma solo con due cariche positive. Persino il piombo, il più metallico degli atomi del gruppo del carbonio, non può effettivamente perdere tutti e quattro i suoi elettroni di valenza, perché, man mano che ciascuno viene rimosso, il resto è trattenuto più fortemente dalla carica positiva aumentata. Poiché la distinzione tra legami covalenti e ionici (elettrovalenti) è spesso una questione di convenienza per il chimico, e poiché leffettiva struttura del legame allinterno di una molecola può essere piuttosto complicata, è spesso utile invece semplicemente contare il numero totale di elettroni di un elemento guadagna o perde nel legame senza riguardo alla natura dei legami. Questo numero è chiamato numero di ossidazione, o stato di ossidazione, dellelemento; molti elementi hanno più di uno stato di ossidazione possibile, ogni stato di ossidazione si trova in composti diversi. Lo stato di ossidazione di un elemento è convenzionalmente scritto come un numero romano che segue il nome dellelemento in un composto, ad esempio piombo (II) significa piombo nello stato di ossidazione +2. Un sistema di rappresentazione alternativo utilizza un numero arabo dopo il nome dellelemento; quindi, il piombo nello stato +2 è scritto piombo (+2). Con il simbolo chimico dellelemento, lo stato di ossidazione può essere scritto in apice, come in Pb2 +. Quando i composti sono ionici, lo stato di ossidazione è anche la carica ionica effettiva. I legami covalenti generalmente sono considerati formati dallinterazione degli orbitali (nella maggior parte dei casi, solo gli orbitali s, p e d) in modi specifici e vari. I più comuni sono chiamati legami sigma e pi, scritti rispettivamente σ e π. I legami sigma sono simmetrici rispetto allasse del legame, mentre i legami pi non lo sono. Esempi di legame sigma e pi così come di legame ionico si possono trovare tra i composti degli elementi del gruppo carbonio.