kun atomien yhdistämistapa ymmärretään, voidaan käsitellä kysymystä siitä, miten ne vuorovaikuttavat keskenään—erityisesti sitä, miten ne muodostavat sidoksia muodostaen molekyylejä ja makroskooppisia materiaaleja. Atomien ulommat elektronit voivat muodostaa sidoksia kolmella perustavalla tavalla:

Lue lisää tästä aiheesta

kemiallinen sidos: Atomirakenne ja sidos

sidosten muodostumisen ymmärtämiseksi on tunnettava atomien elektronisen rakenteen yleiset piirteet—siis järjestely…

1. elektroneja voi siirtyä atomilta toiselle.
2. elektronit voidaan jakaa vierekkäisten atomien kesken.
3. elektronit voidaan jakaa kaikkien aineen atomien kanssa.

ensimmäinen tapa synnyttää niin sanotun ionisidoksen. Ajatellaanpa esimerkiksi natriumatomia, jolla on yksi elektroni uloimmalla radallaan ja joka tulee lähelle klooriatomia, jolla on seitsemän. Koska näiden atomien uloimman kuoren täyttämiseen tarvitaan kahdeksan elektronia, klooriatomilta voidaan ajatella puuttuvan yksi elektroni. Natriumatomi luovuttaa yhden valenssielektroninsa täyttääkseen kloorikuoren reiän, jolloin muodostuu natriumkloridijärjestelmä alemmalla kokonaisenergiatasolla.

atomia, jolla on kiertoradalla enemmän tai vähemmän elektroneja kuin ytimessään protoneja, kutsutaan ioniksi. Kun elektroni sen valenssikuoresta on siirtynyt, natriumatomilta puuttuu elektroni, joten sillä on positiivinen varaus ja siitä tulee natriumioni. Samanaikaisesti ylimääräisen elektronin saanut klooriatomi ottaa negatiivisen varauksen ja muuttuu kloori-ioniksi. Näiden kahden vastakkaisesti varautuneen ionin välinen sähkövoima on houkutteleva ja lukitsee ne yhteen. Syntyvä natriumkloridiyhdiste on kuutiokide, joka tunnetaan yleisesti tavallisena pöytäsuolana.

toinen yllä mainittu sidosstrategia kuvataan kvanttimekaniikan avulla. Kun kaksi atomia tulee lähelle toisiaan, ne voivat jakaa parin uloimpia elektroneja (ajatellaan atomien heittelevän elektroneja edestakaisin niiden välillä) muodostaen kovalenttisen sidoksen. Kovalenttiset sidokset ovat erityisen yleisiä orgaanisissa materiaaleissa, joissa molekyyleissä on usein pitkiä hiiliatomiketjuja (joiden valenssikuorissa on neljä elektronia).

lopulta joissakin materiaaleissa jokainen atomi luovuttaa ulomman elektronin, joka sitten kelluu vapaasti—pohjimmiltaan elektronin jakavat kaikki materiaalin atomit. Elektronit muodostavat eräänlaisen meren, jossa positiiviset ionit kelluvat kuin marmorit melassissa. Tätä kutsutaan metalliseksi sidokseksi, ja nimensä mukaisesti se pitää metallit koossa.

on myös olemassa tapoja, joilla atomit ja molekyylit voivat sitoutua ilman, että elektroneja todella vaihdetaan tai jaetaan. Monissa molekyyleissä sisäiset voimat ovat sellaisia, että elektronit pyrkivät ryhmittymään molekyylin toiseen päähän, jolloin toiseen päähän jää positiivinen varaus. Kaiken kaikkiaan molekyylillä ei ole nettosähkövarausta—on vain niin, että positiiviset ja negatiiviset varaukset löytyvät eri paikoista. Esimerkiksi vedessä (H2O) elektronit tapaavat viettää suurimman osan ajastaan happiatomin lähellä, jolloin vetyatomien alueelle jää positiivinen varaus. Molekyylejä, joiden varaukset on järjestetty tällä tavalla, kutsutaan polaarisiksi molekyyleiksi. Esimerkiksi polaarista molekyyliä sen negatiiviselta puolelta lähestyvä atomi tai ioni kokee voimakkaamman negatiivisen sähkövoiman kuin kaukaisempi positiivinen sähkövoima. Tämän vuoksi monet aineet liukenevat veteen: polaarinen vesimolekyyli pystyy vetämään ioneja aineista sähkövoimien avulla. Polaaristen voimien erikoistapaus esiintyy niin sanotussa vetysidoksessa. Monissa tilanteissa, kun vety muodostaa kovalenttisen sidoksen toisen atomin kanssa, elektronit liikkuvat tätä atomia kohti ja vety saa lievän positiivisen varauksen. Vety puolestaan vetää puoleensa toista atomia, jolloin näiden välille muodostuu eräänlainen silta. Monet tärkeät molekyylit, kuten DNA, ovat rakenteeltaan riippuvaisia vetysidoksista.

lopulta kahden sähköisesti neutraalin atomin välille muodostuu heikko sidos. Hollantilainen fyysikko Johannes van der Waals teorisoi mekanismin tällaiselle sidokselle ensimmäisen kerran vuonna 1873, ja se tunnetaan nykyään van der Waalsin voimina. Kun kaksi atomia lähestyy toisiaan, niiden elektronipilvet kohdistavat toisiinsa vastenmielisiä voimia, niin että atomit polarisoituvat. Tällaisissa tilanteissa on mahdollista, että toisen atomin ytimen ja toisen elektronien välinen sähköinen vetovoima voittaa elektronien väliset vastenmieliset voimat ja muodostuu heikko sidos. Yksi esimerkki tästä voimasta voidaan nähdä tavallisessa grafiittikynän lyijyssä. Tässä aineessa hiiliatomeja pitävät yhdessä levyt vahvojen kovalenttisten sidosten avulla, mutta arkkia pitävät koossa vain van der Waalsin voimat. Kun lyijykynää piirretään paperin poikki, van der Waalsin voimat murtuvat ja hiililevyt irtoavat. Tästä syntyy tumma kynäjuova.