Kemijska veza se događa kada se dva ili više atoma spoje u molekulu. Općenito je načelo u znanosti da će svi sustavi pokušati doseći svoju najnižu energetsku razinu, a kemijska veza će se dogoditi samo kada se može formirati molekula koja ima manje energije od svojih nepovezanih atoma. Tri glavne vrste veze su ionska, kovalentna i metalna. Sve to uključuje elektrone koji se kreću između atoma na različite načine. Drugi, puno slabiji, tip je vodikova veza.
Atomska struktura
Atomi se sastoje od jezgre koja sadrži pozitivno nabijene protone, koja je okružena jednakim brojem negativno nabijenih elektrona. Normalno, dakle, oni su električno neutralni. Međutim, atom može izgubiti ili dobiti jedan ili više elektrona, dajući mu pozitivan ili negativan naboj. Kada netko ima električni naboj, naziva se ion.
Elektroni su ti koji sudjeluju u kemijskoj vezi. Te su čestice raspoređene u ljuske za koje se može misliti da postoje na sve većim udaljenostima od jezgre. Općenito, što su ljuske dalje od jezgre, to imaju više energije. Postoji ograničenje broja elektrona koji mogu zauzeti ljusku. Na primjer, prva, najnutarnja, ljuska ima ograničenje od dva, a sljedeća ljuska ograničenje od osam.
U većini slučajeva samo elektroni u najudaljenijoj ljusci sudjeluju u vezivanju. Oni se često nazivaju valentnim elektronima. Općenito je pravilo da će se atomi međusobno kombinirati na takav način da svi postižu pune vanjske ljuske, budući da te konfiguracije obično imaju manje energije. Skupina elemenata poznatih kao plemeniti plinovi – helij, neon, argon, kripton, ksenon i radon – već imaju pune vanjske ljuske i zbog toga obično ne stvaraju kemijske veze. Ostali elementi će općenito pokušati postići strukturu plemenitog plina davanjem, prihvaćanjem ili dijeljenjem elektrona s drugim atomima.
Kemijske veze su ponekad predstavljene nečim što se zove Lewisova struktura, nazvana po američkom kemičaru Gilbertu N. Lewisu. U Lewisovoj strukturi, valentni elektroni su predstavljeni točkama odmah izvan kemijskih simbola za elemente u molekuli. Oni jasno pokazuju gdje su se elektroni pomaknuli s jednog atoma na drugi i gdje su podijeljeni između atoma.
Ionsko vezivanje
Ova vrsta kemijske veze odvija se između metala, koji lako odustaju od elektrona, i nemetala, koji ih žele prihvatiti. Metal daje elektrone u svojoj nepotpunoj krajnjoj ljusci nemetalu, ostavljajući tu ljusku praznom tako da puna ljuska ispod postaje njena nova najudaljenija ljuska. Nemetal prihvaća elektrone kako bi ispunio svoju nepotpunu najudaljeniju ljusku. Na taj način su oba atoma postigla pune vanjske ljuske. To ostavlja metal s pozitivnim nabojem, a nemetal s negativnim nabojem, pa su to pozitivni i negativni ioni koji se međusobno privlače.
Jednostavan primjer je natrijev fluorid. Natrij ima tri ljuske, s jednim valentnim elektronom u krajnjoj vanjskoj. Fluor ima dvije ljuske, sa sedam elektrona u krajnjoj vanjskoj. Natrij daje svoj jedan valentni elektron atomu fluora, tako da natrij sada ima dvije potpune ljuske i pozitivan naboj, dok fluor ima dvije potpune ljuske i negativan naboj. Rezultirajuća molekula – natrijev fluorid – sadrži dva atoma s potpunim vanjskim omotačima povezanim električnom privlačnošću.
Kovalentno vezivanje
Atomi nemetala se međusobno kombiniraju dijeleći elektrone na takav način da snižavaju ukupnu razinu energije. To obično znači da, kada se kombiniraju, svi imaju pune vanjske ljuske. Da uzmemo jednostavan primjer, vodik ima samo jedan elektron, u svojoj prvoj — i jedinoj — ljusci, što mu ostavlja jedan kratak od pune ljuske. Dva atoma vodika mogu dijeliti svoje elektrone i formirati molekulu u kojoj oba imaju punu vanjsku ljusku.
Često je moguće predvidjeti kako će se atomi međusobno kombinirati prema broju elektrona koje imaju. Na primjer, ugljik ima šest, što znači da ima punu prvu ljusku od dva i krajnju ljusku od četiri, ostavljajući mu četiri manje od pune vanjske ljuske. Kisika ima osam, pa tako i šest u svojoj vanjskoj ljusci – dvije manje od pune ljuske. Atom ugljika može se spojiti s dva atoma kisika kako bi nastao ugljični dioksid, u kojem ugljik dijeli svoja četiri elektrona, dva sa svakim atomom kisika, a atomi kisika zauzvrat dijele dva svoja elektrona s atomom ugljika. Na taj način sva tri atoma imaju pune vanjske ljuske koje sadrže osam elektrona.
Metalno lijepljenje
U komadu metala, valentni elektroni se više ili manje slobodno kreću, umjesto da pripadaju pojedinačnim atomima. Metal se stoga sastoji od pozitivno nabijenih iona okruženih pokretnim, negativno nabijenim elektronima. Ioni se mogu relativno lako pomicati, ali ih je teško odvojiti zbog njihove privlačnosti elektronima. To objašnjava zašto je metale općenito lako savijati, ali teško slomiti. Mobilnost elektrona također objašnjava zašto su metali dobri vodiči električne energije.
Vodikova veza
Za razliku od gornjih primjera, vodikova veza uključuje vezu između, a ne unutar molekula. Kada se vodik spoji s elementom koji snažno privlači elektrone – poput fluora ili kisika – elektroni se povlače od vodika. To rezultira molekulom s ukupnim pozitivnim nabojem s jedne strane i negativnim nabojem s druge strane. U tekućini se pozitivna i negativna strana privlače jedna drugu, stvarajući veze između molekula.
Iako su te veze puno slabije od ionskih, kovalentnih ili metalnih veza, vrlo su važne. Vodikova veza se odvija u vodi, spoju koji sadrži dva atoma vodika i jedan atom kisika. To znači da je za pretvaranje tekuće vode u plin potrebno više energije nego što bi to inače bio slučaj. Bez vodikove veze, voda bi imala mnogo nižu točku vrelišta i ne bi mogla postojati kao tekućina na Zemlji.