Μία από τις πιο θεμελιώδεις κινητήριες δυνάμεις των χημικών αντιδράσεων είναι οι δεσμοί ηλεκτρονίων που σχηματίζονται μεταξύ των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου σε κελύφη. Κάθε κέλυφος ηλεκτρονίων ενός ατόμου έχει έναν καθορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων που διατηρεί όταν είναι δυνατόν, ακόμη και αν εξισορροπεί το καθαρό φορτίο του ατόμου. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια έχουν την ίδια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου ξεχωριστά. Η ποσότητα φορτίου που έχει ένα δεδομένο άτομο εκφράζεται ως εκθέτης στα δεξιά του ονόματος του στοιχείου. για παράδειγμα, Na1+. Ο εκθέτης αριθμός και το σύμβολο είναι γνωστά ως αριθμός χρέωσης.
Το εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων ενός ατόμου ονομάζεται κέλυφος σθένους και είναι η βάση των χημικών αντιδράσεων. Κάθε φλοιός έχει ποικίλο αριθμό ηλεκτρονίων: το πιο εσωτερικό κέλυφος περιέχει δύο ηλεκτρόνια, το επόμενο περιέχει οκτώ και τα επόμενα περιέχουν 18. Ο αριθμός φορτίου προέρχεται από τις φυσικές τάσεις των ατόμων να έχουν ένα κέλυφος πλήρους σθένους, είτε περιλαμβάνει απόκτηση είτε απώλεια ηλεκτρονίων. Τα στοιχεία ταξινομούνται στον περιοδικό πίνακα σε ομάδες ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο κέλυφος σθένους τους. Εάν δύο στοιχεία βρίσκονται στην ίδια στήλη ή ομάδα στον περιοδικό πίνακα, έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων διαθέσιμα για χημικές αντιδράσεις.
Με εξαίρεση το υδρογόνο, τα στοιχεία στην αριστερή πλευρά του πίνακα — ομάδες I και II — είναι μέταλλα αλκαλίων και μέταλλα αλκαλικών γαιών. Έχουν κελύφη σθένους που είναι ουσιαστικά άδεια, με μόνο ένα ή δύο ηλεκτρόνια αντίστοιχα. Οι ομάδες III έως VII είναι αμέταλλα. Η ομάδα III έχει τρία ηλεκτρόνια, η ομάδα IV έχει 4 και ούτω καθεξής. Τα ευγενή αέρια όπως το νέο, το ραδόνιο και το ξένο έχουν κελύφη πλήρους σθένους και επομένως δεν αντιδρούν με άλλα στοιχεία.
Ο αριθμός φορτίου καθορίζει τον τύπο φορτίου που θα έχει ένα μεμονωμένο άτομο εάν αποκτήσει ή χάσει ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια μιας ιοντικής χημικής αντίδρασης. Για παράδειγμα, το νάτριο χάνει ένα ηλεκτρόνιο όταν αντιδρά με το χλώριο. το χλώριο αποκτά ένα ηλεκτρόνιο. Οι αντίστοιχες χρεώσεις τους είναι 1+ και 1-. Στη φυσική τους κατάσταση, όλα τα στοιχεία έχουν αριθμό φορτίου μηδέν επειδή δεν υπάρχει κέρδος ή απώλεια ηλεκτρονίων.
Τα μεταβατικά στοιχεία στις στήλες 3 έως 12 του περιοδικού πίνακα μπορούν να συνδεθούν με διαφορετικά στοιχεία. Επομένως, οι αριθμοί χρέωσης τους θα ποικίλλουν. Τα στοιχεία της ομάδας IV, όπως ο άνθρακας, έχουν αριθμό φορτίου 4+/4-. Τείνουν να σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλα άτομα, στους οποίους τα ηλεκτρόνια μοιράζονται αντί να μεταφέρονται.