Wat is chemische binding?

Chemische binding gebeurt wanneer twee of meer atomen samenkomen om een ​​molecuul te vormen. Het is een algemeen principe in de wetenschap dat alle systemen zullen proberen hun laagste energieniveau te bereiken, en chemische binding zal alleen plaatsvinden als een molecuul zich kan vormen dat minder energie heeft dan zijn niet-gecombineerde atomen. De drie belangrijkste soorten binding zijn ionisch, covalent en metaalachtig. Het gaat allemaal om elektronen die op verschillende manieren tussen atomen bewegen. Een ander, veel zwakker, type is de waterstofbinding.

Atoom structuur

Atomen bestaan ​​uit een kern met positief geladen protonen, die wordt omgeven door een gelijk aantal negatief geladen elektronen. Normaal gesproken zijn ze daarom elektrisch neutraal. Een atoom kan echter een of meer elektronen verliezen of verkrijgen, waardoor het een positieve of negatieve lading krijgt. Wanneer iemand een elektrische lading heeft, wordt dit een ion genoemd.

Het zijn de elektronen die betrokken zijn bij chemische binding. Deze deeltjes zijn gerangschikt in schalen waarvan kan worden gedacht dat ze op toenemende afstanden van de kern bestaan. Over het algemeen geldt dat hoe verder ze van de kern verwijderd zijn, hoe meer energie ze hebben. Er is een limiet aan het aantal elektronen dat een schaal kan bezetten. De eerste, binnenste, shell heeft bijvoorbeeld een limiet van twee en de volgende shell een limiet van acht.

In de meeste gevallen zijn het alleen de elektronen in de buitenste schil die deelnemen aan de binding. Dit worden vaak de valentie-elektronen genoemd . In het algemeen zullen atomen de neiging hebben om op een zodanige manier met elkaar te combineren dat ze allemaal volledige buitenschillen bereiken, omdat deze configuraties meestal minder energie hebben. Een groep elementen bekend als de nobele gassen - helium, neon, argon, krypton, xenon en radon - hebben al volledige buitenschalen en vormen daarom normaal gesproken geen chemische bindingen. Andere elementen zullen in het algemeen proberen een nobele gasstructuur te bereiken door elektronen te geven, te accepteren of te delen met andere atomen.

Chemische bindingen worden soms weergegeven door iets dat een Lewis-structuur wordt genoemd, genoemd naar de Amerikaanse chemicus Gilbert N. Lewis. In een Lewis-structuur worden de valentie-elektronen weergegeven door stippen net buiten de chemische symbolen voor de elementen in een molecuul. Ze laten duidelijk zien waar elektronen zijn verplaatst van het ene atoom naar het andere en waar ze worden gedeeld tussen atomen.

Ionische binding

Dit type chemische binding vindt plaats tussen metalen, die gemakkelijk elektronen opgeven, en niet-metalen, die ze graag willen accepteren. Het metaal geeft de elektronen in zijn onvolledige buitenste schaal aan de niet-metalen, waardoor die schaal leeg blijft zodat de volledige schaal eronder zijn nieuwe buitenste schaal wordt. Het niet-metaal accepteert elektronen om zijn onvolledige buitenste schil op te vullen. Op deze manier hebben beide atomen volledige buitenste schillen bereikt. Dit laat het metaal met een positieve lading en het niet-metaal met een negatieve lading, dus het zijn positieve en negatieve ionen die elkaar aantrekken.

Een eenvoudig voorbeeld is natriumfluoride. Natrium heeft drie schalen, met een valentie-elektron in de buitenste. Fluor heeft twee schalen, met zeven elektronen in de buitenste. Het natrium geeft zijn ene valentie-elektron aan het fluoratoom, zodat het natrium nu twee volledige omhulsels en een positieve lading heeft, terwijl het fluor twee volledige omhulsels en een negatieve lading heeft. Het resulterende molecuul - natriumfluoride - heeft twee atomen met volledige buitenste omhulsels aan elkaar verbonden door elektrische aantrekking.

Covalente binding

Atomen van niet-metalen combineren met elkaar door elektronen zo te delen dat ze hun totale energieniveau verlagen. Dit betekent meestal dat ze, in combinatie, allemaal volledige buitenschalen hebben. Om een ​​eenvoudig voorbeeld te nemen, waterstof heeft slechts één elektron, in zijn eerste - en enige - schil, waardoor het een tekort heeft aan een volledige schil. Twee waterstofatomen kunnen hun elektronen delen om een ​​molecuul te vormen waarin beide een volledige buitenste schil hebben.

Het is vaak mogelijk om te voorspellen hoe atomen met elkaar zullen combineren op basis van het aantal elektronen dat ze hebben. Koolstof heeft bijvoorbeeld zes, wat betekent dat het een volledige eerste schil van twee en een buitenste schil van vier heeft, waardoor het vier tekort komt aan een volledige buitenste schil. Zuurstof heeft acht en dus zes in de buitenste schil - twee kort voor een volledige schaal. Een koolstofatoom kan combineren met twee zuurstofatomen om koolstofdioxide te vormen, waarbij de koolstof zijn vier elektronen deelt, twee met elk zuurstofatoom en de zuurstofatomen op hun beurt elk twee van hun elektronen delen met het koolstofatoom. Op deze manier hebben alle drie de atomen volledige buitenste omhulsels die acht elektronen bevatten.

Metallische binding

In een stuk metaal zijn de valentie-elektronen min of meer vrij om te bewegen, in plaats van dat ze behoren tot individuele atomen. Het metaal bestaat daarom uit positief geladen ionen omringd door mobiele, negatief geladen elektronen. De ionen kunnen relatief gemakkelijk worden verplaatst, maar zijn moeilijk los te maken vanwege hun aantrekking tot de elektronen. Dit verklaart waarom metalen over het algemeen gemakkelijk te buigen maar moeilijk te breken zijn. De mobiliteit van de elektronen verklaart ook waarom metalen goede geleiders van elektriciteit zijn.

Waterstofbinding

In tegenstelling tot de bovenstaande voorbeelden omvat waterstofbinding binding tussen moleculen in plaats van binnen. Wanneer waterstof wordt gecombineerd met een element dat elektronen sterk aantrekt - zoals fluor of zuurstof - worden de elektronen van de waterstof weggetrokken. Dit resulteert in een molecuul met een algehele positieve lading aan de ene kant en een negatieve lading aan de andere. In een vloeistof trekken de positieve en negatieve kanten elkaar aan en vormen ze bindingen tussen de moleculen.

Hoewel deze bindingen veel zwakker zijn dan ionische, covalente of metaalachtige bindingen, zijn ze erg belangrijk. Waterstofbinding vindt plaats in water, een verbinding die twee waterstofatomen en een zuurstofatoom bevat. Dit betekent dat meer energie nodig is om vloeibaar water in een gas om te zetten dan anders het geval zou zijn. Zonder waterstofbinding zou water een veel lager kookpunt hebben en zou het niet als vloeistof op de aarde kunnen bestaan.