Legătura chimică are loc atunci când doi sau mai mulți atomi se unesc pentru a forma o moleculă. Este un principiu general în știință că toate sistemele vor încerca să atingă cel mai scăzut nivel de energie, iar legătura chimică va avea loc numai atunci când se poate forma o moleculă care are mai puțină energie decât atomii săi necombinați. Cele trei tipuri principale de legături sunt ionice, covalente și metalice. Toate acestea implică electroni care se mișcă între atomi în diferite moduri. Un alt tip, mult mai slab, este legătura de hidrogen.
Structura atomica
Atomii constau dintr-un nucleu care conține protoni încărcați pozitiv, care este înconjurat de un număr egal de electroni încărcați negativ. În mod normal, prin urmare, sunt neutre din punct de vedere electric. Cu toate acestea, un atom poate pierde sau câștiga unul sau mai mulți electroni, dându-i o sarcină pozitivă sau negativă. Când cineva are o sarcină electrică, se numește ion.
Electronii sunt implicați în legăturile chimice. Aceste particule sunt aranjate în învelișuri care pot fi considerate existente la distanțe tot mai mari de nucleu. În general, cu cât sunt mai îndepărtate de nucleu cojile, cu atât au mai multă energie. Există o limită a numărului de electroni care pot ocupa un înveliș. De exemplu, prima, cea mai interioară, coajă are o limită de două, iar următoarea coajă o limită de opt.
În cele mai multe cazuri, doar electronii din învelișul exterior sunt cei care participă la legare. Aceștia sunt adesea numiți electroni de valență. Ca regulă generală, atomii vor tinde să se combine între ei în așa fel încât toți să obțină învelișuri exterioare complete, deoarece aceste configurații au de obicei mai puțină energie. Un grup de elemente cunoscute sub numele de gaze nobile – heliu, neon, argon, kripton, xenon și radon – au deja învelișuri exterioare complete și, din această cauză, nu formează în mod normal legături chimice. Alte elemente vor încerca, în general, să obțină o structură de gaz nobil dând, acceptând sau împărtășind electroni cu alți atomi.
Legăturile chimice sunt uneori reprezentate de ceva numit structură Lewis, numită după chimistul american Gilbert N. Lewis. Într-o structură Lewis, electronii de valență sunt reprezentați prin puncte chiar în afara simbolurilor chimice pentru elementele dintr-o moleculă. Ele arată clar unde s-au mutat electronii de la un atom la altul și unde sunt împărțiți între atomi.
Legarea ionică
Acest tip de legături chimice are loc între metale, care renunță cu ușurință la electroni, și nemetale, care sunt dornici să le accepte. Metalul dă electronii din învelișul său incomplet exterior nemetalului, lăsând acel înveliș gol, astfel încât învelișul complet de dedesubt devine noua sa înveliș exterior. Nemetalul acceptă electroni pentru a-și umple învelișul exterior incomplet. În acest fel, ambii atomi au obținut învelișuri exterioare complete. Acest lucru lasă metalul cu o sarcină pozitivă și nemetalul cu o sarcină negativă, deci sunt ioni pozitivi și negativi care se atrag unul pe altul.
Un exemplu simplu este fluorura de sodiu. Sodiul are trei învelișuri, cu un electron de valență în cel mai exterior. Fluorul are două învelișuri, cu șapte electroni în cel mai exterior. Sodiul dă unul său electron de valență atomului de fluor, astfel încât sodiul are acum două învelișuri complete și o sarcină pozitivă, în timp ce fluorul are două învelișuri complete și o sarcină negativă. Molecula rezultată – fluorură de sodiu – prezintă doi atomi cu învelișuri exterioare complete legate între ele prin atracție electrică.
Legătura covalentă
Atomii nemetalelor se combină între ei prin împărțirea electronilor în așa fel încât să-și reducă nivelul total de energie. Acest lucru înseamnă de obicei că, atunci când sunt combinate, toate au învelișuri exterioare pline. Ca să luăm un exemplu simplu, hidrogenul are doar un electron, în primul și singurul său înveliș, ceea ce îl lasă mai puțin decât un înveliș complet. Doi atomi de hidrogen își pot împărtăși electronii pentru a forma o moleculă în care ambii au învelișul exterior complet.
Este adesea posibil să se prezică modul în care atomii se vor combina între ei din numărul de electroni pe care îi au. De exemplu, carbonul are șase, ceea ce înseamnă că are o primă carcasă plină de două și una cea mai exterioară de patru, lăsând-o cu patru mai puțin de o carcasă exterioară completă. Oxigenul are opt și, la fel, are șase în învelișul exterior – două mai puțin de o înveliș complet. Un atom de carbon se poate combina cu doi atomi de oxigen pentru a forma dioxid de carbon, în care carbonul își împarte cei patru electroni, doi cu fiecare atom de oxigen, iar atomii de oxigen, la rândul lor, împărtășesc doi dintre electroni cu atomul de carbon. În acest fel, toți cei trei atomi au învelișuri exterioare pline care conțin opt electroni.
Lipire metalică
Într-o bucată de metal, electronii de valență sunt mai mult sau mai puțin liberi să se miște, mai degrabă decât să aparțină atomilor individuali. Prin urmare, metalul constă din ioni încărcați pozitiv, înconjurați de electroni mobili, încărcați negativ. Ionii pot fi mișcați relativ ușor, dar sunt greu de detașat, datorită atracției lor față de electroni. Acest lucru explică de ce metalele sunt în general ușor de îndoit, dar greu de spart. Mobilitatea electronilor explică și de ce metalele sunt bune conductoare de electricitate.
Legătură de hidrogen
Spre deosebire de exemplele de mai sus, legăturile de hidrogen implică legarea între, mai degrabă decât în interiorul moleculelor. Când hidrogenul se combină cu un element care atrage puternic electroni – cum ar fi fluorul sau oxigenul – electronii sunt îndepărtați de hidrogen. Rezultă o moleculă cu o sarcină generală pozitivă pe o parte și o sarcină negativă pe cealaltă. Într-un lichid, părțile pozitive și negative se atrag reciproc, formând legături între molecule.
Deși aceste legături sunt mult mai slabe decât legăturile ionice, covalente sau metalice, ele sunt foarte importante. Legăturile de hidrogen au loc în apă, un compus care conține doi atomi de hidrogen și unul de oxigen. Aceasta înseamnă că este necesară mai multă energie pentru a transforma apa lichidă într-un gaz decât ar fi cazul. Fără legături de hidrogen, apa ar avea un punct de fierbere mult mai scăzut și nu ar putea exista ca lichid pe Pământ.