Chemia porównawcza
W układzie okresowym pierwiastki z ośmioma elektronami na zewnątrz tworzą grupę znaną jako gazy szlachetne (Grupa 18), najmniej reaktywne elementów. Elementy grupy węglowej (grupa 14) z czterema elektronami zajmują środkową pozycję. Pierwiastki po lewej stronie grupy 14 mają mniej niż cztery elektrony w powłoce walencyjnej i mają tendencję do ich utraty (wraz z ich ładunkami ujemnymi), aby stać się jonami naładowanymi dodatnio, reprezentowanymi przez symbol pierwiastka z indeksem górnym wskazującym liczbę i znak opłaty; takie elementy nazywane są metalami. Niemetale (z wyjątkiem boru) znajdują się w grupach na prawo od grupy 14; każdy ma więcej niż cztery elektrony w swojej najbardziej zewnętrznej powłoce i ma tendencję do pozyskiwania elektronów, aby uzupełnić swój oktet, tworząc ujemnie naładowane jony.
Reakcje chemiczne są wynikiem wymiany elektronów między atomami. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli metal straci kilka elektronów walencyjnych na rzecz niemetalu, powstałe przeciwnie naładowane jony są przyciągane do siebie i tworzą wiązanie, klasyfikowane jako jonowe lub elektrowalencyjne. Dwa niemetale, z których żaden nie może faktycznie stracić swoich elektronów walencyjnych w reakcji chemicznej, mogą mimo wszystko dzielić je parami w taki sposób, że powstaje tak zwane wiązanie kowalencyjne. Atomy metali połączą się ze sobą w trzecim typie wiązania, który uwalnia ich elektrony walencyjne w sposób umożliwiający im przewodzenie prądu.
Wszystkie atomy grupy węglowej, mające cztery elektrony walencyjne, tworzą wiązania kowalencyjne z atomami niemetalowymi; węgiel i krzem nie mogą tracić ani pozyskiwać elektronów w celu utworzenia wolnych jonów, podczas gdy german, cyna i ołów tworzą jony metali, ale tylko z dwoma dodatnimi ładunkami. Nawet ołów, najbardziej metaliczny z atomów grupy węglowej, nie może w rzeczywistości stracić wszystkich czterech swoich elektronów walencyjnych, ponieważ po usunięciu każdego z nich pozostałe są silniej utrzymywane przez zwiększony ładunek dodatni. Ponieważ rozróżnienie między wiązaniami kowalencyjnymi i jonowymi (elektrowalencyjnymi) jest często kwestią wygody dla chemika, a faktyczna struktura wiązania w cząsteczce może być dość skomplikowana, często zamiast tego przydatne jest po prostu policzenie całkowitej liczby elektronów w pierwiastku zyskuje lub traci na wiązaniu bez względu na charakter obligacji. Liczba ta nazywana jest stopniem utlenienia lub stopniem utlenienia pierwiastka; wiele pierwiastków może mieć więcej niż jeden stopień utlenienia, a każdy stopień utlenienia występuje w różnych związkach. Stopień utlenienia pierwiastka jest tradycyjnie zapisywany jako cyfra rzymska po nazwie pierwiastka w związku – na przykład ołów (II) oznacza ołów na +2 stopniu utlenienia. Alternatywny system reprezentacji używa liczby arabskiej po nazwie elementu; zatem ołów w stanie +2 jest zapisywany jako odprowadzenie (+2). Dzięki chemicznemu symbolowi pierwiastka stopień utlenienia można zapisać jako indeks górny, jak w Pb2 +. Gdy związki są jonowe, stopień utlenienia jest również rzeczywistym ładunkiem jonowym. Ogólnie uważa się, że wiązania kowalencyjne powstają w wyniku interakcji orbitali (w większości przypadków tylko orbitali s, p i d) w specyficzny i zróżnicowany sposób. Najbardziej powszechne nazywane są wiązaniami sigma i pi, zapisanymi odpowiednio σ i π. Wiązania sigma są symetryczne względem osi wiązania, podczas gdy wiązania pi nie są. Przykłady wiązania sigma i pi, a także wiązania jonowego można znaleźć wśród związków pierwiastków grupy węglowej.