原子がどのように結合して分子や巨視的な材料を作るのかという問題に取り組むことができます。 原子の外側の電子が結合を形成することができる三つの基本的な方法があります。

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化学結合: 原子構造と結合

結合形成を理解するためには、原子の電子構造の一般的な特徴、すなわち配置を知る必要があります。..

1. 電子はある原子から別の原子に移動することができます。
2. 電子は隣接する原子間で共有することができます。
3. 電子は材料中のすべての原子と共有することができます。最初の方法は、イオン結合と呼ばれるものを生じさせます。 一例として、ナトリウムの原子を考えてみましょう,その最も外側の軌道に一つの電子を持っています,塩素の原子の近くに来ます,七を持っています. それはこれらの原子の最外殻を埋めるために8つの電子を取るので、塩素原子は1つの電子を欠いていると考えることができます。 ナトリウム原子は、より低い総エネルギーレベルで塩化ナトリウム系を形成し、塩素シェル内の穴を埋めるために、その単一の価電子を寄付します。p>

   

   その核内の陽子よりも軌道上の電子の数が多いか少ない原子はイオンと呼ばれます。 その原子価シェルからの電子が転送された後、ナトリウム原子は電子が欠落していることになります;それは、したがって、正の電荷を持っており、ナトリウムイオンになります。 同時に、余分な電子を得た塩素原子は、負電荷を帯びて塩素イオンになる。 これら二つの反対に荷電したイオン間の電気力は魅力的であり、それらを一緒にロックします。 得られた塩化ナトリウム化合物は、一般に通常の食塩として知られている立方晶である。

   上記の2番目の結合戦略は量子力学によって記述されています。 2つの原子が互いに近くに来るとき、それらは一対の最も外側の電子を共有して共有結合を形成することができます（原子はそれらの間で電子を前後に投げていると考えてください）。 共有結合は、分子がしばしば炭素原子の長い鎖（それらの原子価殻に4つの電子を有する）を含む有機材料で特に一般的である。最後に、いくつかの材料では、各原子は外側の電子を放棄して自由に浮遊します—本質的に、電子は材料内のすべての原子によって共有されます。

   電子は、正イオンが糖蜜中のビー玉のように浮遊する一種の海を形成する。 これは金属結合と呼ばれ、その名前が示すように、金属を一緒に保持するものです。実際に電子を交換または共有することなく、原子と分子が結合する方法もあります。

   多くの分子では、内部力は、電子が分子の一方の端に集まり、もう一方の端に正の電荷を残す傾向があるようなものである。 全体的に、分子には正味の電荷がありません—正と負の電荷が異なる場所で見つかっただけです。 例えば、水（H2O）では、電子は酸素原子の近くでほとんどの時間を過ごす傾向があり、水素原子の領域に正の電荷を残す。 このように電荷が配置されている分子は極性分子と呼ばれます。 例えば、負の側から極性分子に接近する原子またはイオンは、より遠くの正の電気力よりも強い負の電気力を経験するであろう。 これが多くの物質が水に溶解する理由です：極性の水分子は、電気力を発揮することによって材料からイオンを引き出すことができます。 極性力の特殊な場合は、水素結合と呼ばれるもので発生します。 多くの状況では、水素が他の原子と共有結合を形成すると、電子はその原子に向かって移動し、水素はわずかな正の電荷を獲得する。 水素は、次に、別の原子を引き付け、それによって両者の間に一種の橋を形成する。 DNAを含む多くの重要な分子は、その構造のための水素結合に依存しています。