Vari principi matematici e fisici (minima energia, di Pauli, di Hund) permettono di stabilire di quali e di quanti orbitali sia costituito un atomo nel suo stato di quiete e di quanti elettroni sia in grado di ospitare. Importante sottolineare che secondo queste teorie in un unico orbitale possono coesitere soltanto due elettroni con direzione di rotazione (il cosidetto spin) invertita.
Gli orbitali si suddividono in :
tipo (1,2,3,4,5)s, tipo (1,2,3,4,5,6)p, tipo (1,2,3,4,5)d e tipo (1,2,3,4)f.
I salti quantici avvengono fra i seguenti livelli energetici:
livello 1: 1s
livello 2: 2s 2p
livello 3: 3s 3p
livello 4: 4s 4p 3d
livello 5: 5s 5p 4d
livello 6: 6s 6p 5d 4f
livello 7: 7s 6d 5f
Ad ogni tipologia di orbitale corrisponde un preciso numero di orbitali:
Gli orbitali di tipo s sono costituiti da un unico orbitale, nel tipo p gli orbitali sono 3, nel tipo d sono 5 e nel tipo f sono 7. Facciamo ora alcuni esempi: i due elettroni dell'atomo di elio He occuperanno solo l'orbitale 1s (con spin opposto); dei 3 elettroni del litio Li i primi due si distribuiranno nel primo orbitale 1s e, poiché l'orbitale è completo, il terzo andrà ad occupare il primo orbitale libero 2s a più alta energia; un atomo di ossigeno O, che ha 8 elettroni, ne avrà due nel primo orbitale 1s, due nel secondo 2s, due nel primo dei tre 2p e uno ciascuno nei rimanenti due 2p.
Accanto l'ordine di riempimento degli orbitali in relazione alla energia; sotto alcuni esempi tridimensionali di orbitale (Bertini Mani, Lezioni di Chimica Ed. Cedam).

Come abbiamo visto la disposizione degli elettroni in un atomo inizia partendo dagli orbitali più interni, cioè a più bassa energia, per finire a quelli più esterni. Orbitali più esterni che nella maggior parte dei casi rimangono non completamente riempiti dalla coppia di elettroni. Sono proprio questi spazi vuoti negli orbitali più esterni a permettere agli atomi di legarsi fra di loro. Infatti questi costituiscono spazi disponibili dove gli atomi possono tra loro noleggiare e/o scambiarsi elettroni col risultato di legarsi (è un pò come due persone che decidono di abitare insieme con una che mette a disposizione la casa però non completamente arredata e l'altra si occupa di finire l'arredamento). Va da se che i legami chimici possono essere di vario tipo proprio in relazione alla diversa disponibilità e tipo degli orbitali;
In due parole ci saranno elementi come il litio che tenderanno a liberarsi dell'atomo in più perchè più vicino alla saturazione del livello energetico 1 che a quella del livello 2, elementi come l'ossigeno che invece tenderanno ad acquistare gli elettroni che gli mancano per saturare il livello energetico 2, e infine elementi come l'Elio che al contrario non hanno bisogno nè di acquistare nè di cedere elettroni non legandosi mai a nessuno! (quest'ultimi sono i Gas Nobili)

I legami chimici si suddividono a grandi linee in covalenti, ionici, metallici, e deboli ( a idrogeno e di Van der Waals).
A prescindere dal tipo di legame, si considera, come già detto prima, che un atomo tende ad assumere una configurazione elettronica esterna che saturi il livello energetico più vicino. In relazione alle reazioni fra gli elementi più comuni è stata istituita una regola: la regola dell'ottetto, secondo cui un elemento tende ad avere 8 elettroni nella sua configurazione elettronica. Questa regola è ben esemplificata dalla molecola di Ossigeno O2 nella quale due atomi di ossigeno avendo ognuno due posti vuoti negli orbitali più esterni finiscono col condividere questi stessi orbitali al fine di raggiungere, inserendoci ognuno i propri elettroni, la saturazione del livello energetico. Questo tipo di legame è il legame covalente dove cioè c'è una totale condivisione di uno o più spazii orbitali. Affinchè i due atomi si leghino è però necessario che l'energia complessiva dei due atomi quando sono legati sia minore di quella dei due atomi separati e il legame sarà tanto più stabile quanto maggiore sarà la sovrapposizione dei singoli orbitali.