po zrozumieniu sposobu, w jaki atomy są połączone, można rozwiązać pytanie, w jaki sposób oddziałują ze sobą—w szczególności, w jaki tworzą wiązania do tworzenia cząsteczek i materiałów makroskopowych. Istnieją trzy podstawowe sposoby, w jakie zewnętrzne elektrony atomów mogą tworzyć wiązania:

Czytaj więcej na ten temat

wiązanie chemiczne: Struktura atomowa i Wiązanie

aby zrozumieć tworzenie wiązań, konieczne jest poznanie ogólnych cech struktury elektronowej atomów—czyli układu…

1. elektrony mogą być przenoszone z jednego atomu do drugiego.
2. elektrony mogą być dzielone między sąsiadujące Atomy.
3. elektrony mogą być dzielone ze wszystkimi atomami w materiale.

pierwszy sposób powoduje powstanie tzw. wiązania jonowego. Rozważmy jako przykład atom sodu, który ma jeden elektron na swojej zewnętrznej orbicie, zbliżając się do atomu chloru, który ma siedem. Ponieważ do wypełnienia zewnętrznej powłoki tych atomów potrzeba ośmiu elektronów, atom chloru można uznać za brakujący jeden elektron. Atom sodu przekazuje swój pojedynczy elektron walencyjny, aby wypełnić dziurę w powłoce chloru, tworząc system chlorku sodu na niższym całkowitym poziomie energii.

atom, który ma więcej lub mniej elektronów na orbicie niż protony w jądrze nazywa się Jonem. Po przeniesieniu elektronu z jego powłoki walencyjnej atom sodu będzie brakować elektronu; w związku z tym będzie miał ładunek dodatni i stanie się Jonem sodu. Jednocześnie atom chloru, zyskując dodatkowy elektron, przyjmie ładunek ujemny i stanie się Jonem chloru. Siła elektryczna pomiędzy tymi dwoma przeciwstawnie naładowanymi jonami jest atrakcyjna i blokuje je razem. Otrzymany związek chlorku sodu jest sześciennym kryształem, powszechnie znanym jako zwykła sól kuchenna.

wymieniona powyżej druga strategia wiązania opisana jest przez mechanikę kwantową. Kiedy dwa atomy zbliżają się do siebie, mogą dzielić parę najbardziej oddalonych elektronów (pomyśl o atomach jako rzucaniu elektronów tam iz powrotem między nimi), tworząc wiązanie kowalencyjne. Wiązania kowalencyjne są szczególnie powszechne w materiałach organicznych, gdzie cząsteczki często zawierają długie łańcuchy atomów węgla (które mają cztery elektrony w swoich powłokach walencyjnych).

wreszcie, w niektórych materiałach każdy atom oddaje zewnętrzny elektron, który następnie unosi się swobodnie—w istocie elektron jest współdzielony przez wszystkie atomy w materiale. Elektrony tworzą rodzaj morza, w którym jony dodatnie unoszą się jak kulki w melasie. Nazywa się to wiązaniem metalicznym i, jak sama nazwa wskazuje, jest tym, co trzyma metale razem.

istnieją również sposoby wiązania atomów i cząsteczek bez faktycznej wymiany lub dzielenia elektronów. W wielu cząsteczkach siły wewnętrzne są takie, że elektrony mają tendencję do klastrowania na jednym końcu cząsteczki, pozostawiając drugi koniec z ładunkiem dodatnim. Ogólnie rzecz biorąc, cząsteczka nie ma ładunku elektrycznego netto-po prostu dodatnie i ujemne ładunki znajdują się w różnych miejscach. Na przykład w wodzie (H2O) elektrony spędzają większość czasu w pobliżu atomu tlenu, pozostawiając region atomów wodoru z ładunkiem dodatnim. Cząsteczki, których ładunki są ułożone w ten sposób, nazywane są cząsteczkami polarnymi. Na przykład atom lub jon zbliżający się do polarnej cząsteczki z jej negatywnej strony doświadczy silniejszej ujemnej siły elektrycznej niż bardziej odległa dodatnia Siła elektryczna. Z tego powodu wiele substancji rozpuszcza się w wodzie: polarna cząsteczka wody może wyciągać jony z materiałów poprzez wywieranie sił elektrycznych. Szczególny przypadek sił polarnych występuje w tzw. wiązaniu wodorowym. W wielu sytuacjach, gdy Wodór tworzy wiązanie kowalencyjne z innym atomem, elektrony poruszają się w kierunku tego atomu, a wodór uzyskuje niewielki ładunek dodatni. Wodór z kolei przyciąga inny atom, tworząc w ten sposób rodzaj mostu między nimi. Wiele ważnych cząsteczek, w tym DNA, zależy od wiązań wodorowych dla ich struktury.

wreszcie istnieje sposób na utworzenie słabego wiązania między dwoma elektrycznie obojętnymi atomami. Holenderski fizyk Johannes van der Waals po raz pierwszy teoretyzował mechanizm takiego wiązania w 1873 roku i jest on obecnie znany jako siły van der Waalsa. Kiedy dwa atomy zbliżają się do siebie, ich chmury elektronowe wywierają na siebie siły odpychające, tak że atomy stają się spolaryzowane. W takich sytuacjach możliwe jest, że przyciąganie elektryczne między jądrem jednego atomu a elektronami drugiego atomu przezwycięży siły odpychające między elektronami i utworzy się słabe Wiązanie. Przykład tej siły można zobaczyć w zwykłym ołówku Grafitowym. W tym materiale atomy węgla są utrzymywane razem w arkuszach przez silne wiązania kowalencyjne, ale arkusze są utrzymywane razem tylko przez siły van der Waalsa. Gdy ołówek jest rysowany na papierze, siły van der Waalsa pękają, a arkusze węgla odpadają. To właśnie tworzy smugę ciemnego ołówka.