Un atome de sodium possède 11 protons et 11 électrons. Il doit perdre un électron pour compléter sa couche électronique externe. Lorsqu'il le fait, il devient un ion sodium avec 11 protons et 10 électrons. Le proton supplémentaire lui confère une charge positive. Un ion chargé positivement est appelé un cation. Ce nom provient du grec et signifie « descendre », car les cations migrent vers la cathode lors de l'électrolyse.

Les cations se forment lorsque les atomes perdent des électrons. Les métaux ont tendance à former des cations car ils possèdent peu d'électrons de valence et les perdent plus facilement qu'ils n'en gagnent. Le sodium forme Na⁺, le magnésium Mg²⁺ et l'aluminium Al³⁺. La charge dépend du nombre d'électrons que l'atome perd pour atteindre une configuration stable. Les métaux de transition peuvent former plusieurs cations de charges différentes, comme le fer(II) et le fer(III).

Les cations polyatomiques sont des groupes d'atomes portant une charge positive nette. L'ion ammonium (NH₄⁺) en est l'exemple le plus courant. Il se forme lorsque l'ammoniac accepte un proton. Parmi les autres cations polyatomiques, on trouve l'ion hydronium (H₃O⁺) et l'ion mercure(I) (Hg₂²⁺). Ils se comportent comme des entités uniques lors des réactions chimiques.

Les cations sont omniprésents. Le sel de table est composé de cations sodium et chlorure. Les engrais contiennent des cations potassium et calcium. Le corps humain utilise les cations calcium pour la contraction musculaire et la transmission nerveuse, les cations sodium et potassium pour l'influx nerveux et l'équilibre hydrique, et les cations fer pour le transport de l'oxygène. L'équilibre entre les cations et les anions est essentiel à la vie.