Khi xem xét các nguyên tử, các nhà sinh học chủ yếu quan tâm đến electrons vì cách thức hoạt động của electron giải thích những biến đổi hóa học xảy ra như thế nào trong tế bào sống. Những biến đổi này, gọi là phản ứng hóa học hay đơn giản là phản ứng, là những thay đổi trong thành phần của chất. Số electron đặc trưng trong mỗi nguyên tử của một nguyên tố quyêt định cách các nguyên tử của nó phản ứng với các nguyên tử khác. Mọi phản ứng hóa học liên quan đến sự thay đổi về mối quan hệ giữa các electron với nhau. Vị trí của một electron trong một nguyên tử tại một thời điểm bât kỳ là không thể xác định. Chúng ta chỉ có thể mô tả một khoảng không gian trong nguyên tử trong đó electron có khả năng có mặt. Vùng không gian nơi electron được tìm thấy ít nhất 90% số lần chính là orbital của electron (Hình 2.6). Trong một nguyên tử, một orbital nhất định có thể được chiếm lĩnh bởi nhiều nhất là hai electron. Vì vậy bất kỳ nguyên tử nào lớn hơn Heli (số nguyên tử là 2) phải có các electron trong hai orbital trở lên. Như hình 2.6 cho thấy, các orbital khác nhau có các dạng & hướng đặc trưng trong không gian. Các orbital lại tạo nên một loạt các lớp vỏ điện tử, hay mức năng lượng quanh hạt nhân (Hình 2.7). > Lớp vỏ điện tử trong cùng chỉ có một orbital, gọi là orbital s. Hydro (1H) có một electron trong lớp vỏ đầu tiên; Heli (2He) có hai. Tất cả nguyên tố khác có hai electron ở lớp vỏ thứ nhất cũng như các electron trong các lớp vỏ khác.
> Lớp vỏ thứ hai được tạo nên bởi bốn orbital (một orbital s và ba orbital p) và vì vậy có thể giữ tới tám electron.
Các orbital s chứa đầy electron trước và các electron của chúng có mức năng lượng thấp nhất. Các vỏ tiếp theo có số các orbital khác nhau, nhưng lớp vỏ ngoài cùng nhất thường chỉ chứa tám electron. Trong bất kỳ nguyên tử nào, lớp vỏ điện tử ngoài cùng quyết định cách các nguyên tử kết hợp với các nguyên tử khác - tức hóa tính của nguyên tử. Khi một lớp vỏ ngoài cùng tạo bởi bốn orbital chứa tám electron sẽ không có electron nào không cặp đôi (xem Hình 2.7). Một nguyên tử như vậy bền vững và sẽ không phản ứng với các nguyên tử khác. Các ví dụ về các nguyên tố bền vững là Heli, Neon và Argon.
Các nguyên tử có hoạt tính tìm cách đạt tới trạng thái bền vững không có electron không cặp đôi ở lớp vỏ ngoài cùng. Chúng đạt được sự bền vững này bằng cách chia xẻ electron với các nguyên tử khác, hoặc bằng cách cho hoặc nhận một hoặc một vài electron. Trong
cả hai trường hợp các nguyên tử được liên kết với nhau. Những liên kết như vậy tạo ra tổ hợp bền vững giữa các nguyên tử gọi là phân tử.
Một phân tử là hai hoặc nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Xu hướng đạt được tám điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của các nguyên tử trong các phân tử bền vững được biết dưới tên gọi quy tắc "bát tử". Nhiều nguyên tử có ý nghĩa sinh học, ví dụ carbon (C) và nitơ (N) tuân theo quy tắc bát tử. Tuy nhiên một số nguyên tử có ý nghĩa sinh học không tuân theo quy tắc này. Hyđro (H) là một ví dụ dễ thấy nhất, đạt tới trạng thái cân bằng khi chỉ có hai electron chiếm lớp vỏ duy nhất của nó.