Kemiallinen sidos tapahtuu, kun kaksi tai useampia atomeja liittyy toisiinsa muodostaen molekyylin. Tieteessä on yleinen periaate, että kaikki järjestelmät yrittävät saavuttaa alimman energiatasonsa, ja kemiallinen sidos tapahtuu vain, kun molekyyli voi muodostua, jolla on vähemmän energiaa kuin sen yhdistämättömät atomit. Kolme päätyyppistä sidosta ovat ioninen, kovalenttinen ja metallinen. Näissä kaikissa elektronit liikkuvat atomien välillä eri tavoin. Toinen, paljon heikompi tyyppi on vetysidos.
Atomirakenne
Atomit koostuvat positiivisesti varautuneita protoneja sisältävästä ytimestä, jota ympäröi yhtä suuri määrä negatiivisesti varautuneita elektroneja. Normaalisti ne ovat siksi sähköisesti neutraaleja. Atomi voi kuitenkin menettää tai saada yhden tai useamman elektronin, mikä antaa sille positiivisen tai negatiivisen varauksen. Kun jollakin on sähkövaraus, sitä kutsutaan ioniksi.
Elektronit ovat mukana kemiallisessa sidoksessa. Nämä hiukkaset on järjestetty kuoriksi, joiden voidaan ajatella olevan olemassa yhä kauempana ytimestä. Yleensä mitä kauempana ytimestä kuoret ovat, sitä enemmän energiaa niillä on. Kuoren sisältävien elektronien lukumäärä on rajoitettu. Esimerkiksi ensimmäisen, sisimmän kuoren raja on kaksi ja seuraavan kuoren raja on kahdeksan.
Useimmissa tapauksissa vain uloimman kuoren elektronit osallistuvat liimaukseen. Näitä kutsutaan usein valenssielektroneiksi. Yleensä atomit pyrkivät yhdistymään keskenään siten, että ne kaikki saavuttavat täydelliset ulkokuoret, koska näissä kokoonpanoissa on yleensä vähemmän energiaa. Jalokaasuina tunnetuilla elementeillä – helium, neon, argon, kryptoni, ksenoni ja radon – on jo täysi ulkokuori, ja siksi ne eivät normaalisti muodosta kemiallisia sidoksia. Muut elementit pyrkivät yleensä saavuttamaan jalokaasurakenteen antamalla, hyväksymällä tai jakamalla elektroneja muiden atomien kanssa.
Kemiallisia sidoksia edustaa joskus jotain, jota kutsutaan Lewisin rakenteeksi, joka on nimetty amerikkalaisen kemikon Gilbert N. Lewisin mukaan. Lewisin rakenteessa valenssielektroneja edustavat pisteet aivan molekyylin alkuaineiden kemiallisten symbolien ulkopuolella. Ne osoittavat selvästi, missä elektronit ovat siirtyneet atomista toiseen ja missä ne on jaettu atomien välillä.
Ionisidonta
Tämäntyyppinen kemiallinen sidos tapahtuu metallien, jotka luopuvat helposti elektroneista, ja ei-metallien välillä, jotka haluavat hyväksyä ne. Metalli antaa elektronit epätäydellisessä uloimmassa kuorissaan ei-metallille, jättäen sen kuoren tyhjäksi niin, että alla olevasta koko kuorista tulee sen uusi uloin kuori. Ei-metalli hyväksyy elektroneja täyttääkseen epätäydellisen uloimman kuorensa. Tällä tavalla molemmat atomit ovat saavuttaneet täyden ulkokuoren. Tämä jättää metallille positiivisen varauksen ja ei-metallille negatiivisen varauksen, joten ne ovat positiivisia ja negatiivisia ioneja, jotka houkuttelevat toisiaan.
Yksinkertainen esimerkki on natriumfluoridi. Natriumilla on kolme kuorta, joista yksi valenssielektroni on uloimmassa. Fluorissa on kaksi kuorta, seitsemän elektronia uloimmassa. Natrium antaa yhden valenssielektroninsa fluoriatomille, joten natriumilla on nyt kaksi täyttä kuorta ja positiivinen varaus, kun taas fluorilla on kaksi täydellistä kuorta ja negatiivinen varaus. Tuloksena olevassa molekyylissä – natriumfluoridissa – on kaksi atomia, joiden ulkokuoret on liitetty yhteen sähköisen vetovoiman avulla.
Kovalenttinen liimaus
Epämetallien atomit yhdistyvät toisiinsa jakamalla elektroneja siten, että ne alentavat niiden yleistä energiatasoa. Tämä tarkoittaa yleensä sitä, että yhdistettynä niillä kaikilla on täysi ulkokuori. Yksinkertaisen esimerkin vuoksi vedyllä on vain yksi elektroni ensimmäisessä – ja ainoassa – kuorissaan, mikä jättää sille yhden lyhyen täyden kuoren. Kaksi vetyatomia voi jakaa elektroninsa muodostaen molekyylin, jossa molemmilla on täysi ulkokuori.
Usein on mahdollista ennustaa kuinka atomit yhdistyvät keskenään niiden elektronien lukumäärän perusteella. Esimerkiksi hiilellä on kuusi, mikä tarkoittaa, että sen ensimmäinen kuori on kaksi ja uloin kuori neljä, joten se on neljä lyhyempi kuin täysi ulkokuori. Happea on kahdeksan, ja niin on kuusi sen ulkokuorissa – kaksi lyhempi kuin täysikuori. Hiiliatomi voi yhdistyä kahden happiatomin kanssa muodostaen hiilidioksidia, jossa hiili jakaa neljä elektroniaan, kaksi jokaisen happiatomin kanssa, ja happiatomit vuorostaan jakavat kaksi elektroniaan hiiliatomin kanssa. Tällä tavalla kaikilla kolmella atomilla on täysi ulkokuori, joka sisältää kahdeksan elektronia.
Metallinen liimaus
Metallikappaleessa valenssielektronit voivat liikkua enemmän tai vähemmän vapaasti sen sijaan, että ne kuuluisivat yksittäisiin atomeihin. Siksi metalli koostuu positiivisesti varautuneista ioneista, joita ympäröivät liikkuvat negatiivisesti varautuneet elektronit. Iioneja voidaan siirtää suhteellisen helposti, mutta niitä on vaikea irrottaa, koska ne vetävät puoleensa elektroneja. Tämä selittää, miksi metallit ovat yleensä helposti taivutettavia, mutta vaikeita rikkoa. Elektronien liikkuvuus selittää myös sen, miksi metallit ovat hyviä sähkönjohtimia.
Vetysidos
Toisin kuin yllä olevat esimerkit, vetysidos sisältää sidoksen molekyylien välillä eikä niiden sisällä. Kun vety yhdistyy elementtiin, joka vetää voimakkaasti elektroneja – kuten fluoria tai happea -, elektronit vedetään pois vedystä. Tämä johtaa molekyyliin, jolla on yleinen positiivinen varaus toisella puolella ja negatiivinen varaus toisella puolella. Nesteessä positiiviset ja negatiiviset puolet houkuttelevat toisiaan muodostaen siteitä molekyylien välille.
Vaikka nämä sidokset ovat paljon heikompia kuin ioniset, kovalenttiset tai metallisidokset, ne ovat erittäin tärkeitä. Vetysidos tapahtuu vedessä, yhdisteessä, joka sisältää kaksi vetyatomia ja yhden hapen. Tämä tarkoittaa, että nestemäisen veden muuttamiseksi kaasuksi tarvitaan enemmän energiaa kuin muuten olisi. Ilman vetysidosta veden kiehumispiste olisi paljon alhaisempi eikä se voisi olla nesteenä maan päällä.