Tại sao các nguyên tử lại liên kết với nhau

Các nguyên tử hình thành liên kết hóa học để làm cho lớp vỏ electron bên ngoài của chúng bền hơn. Loại liên kết hóa học tối đa hóa sự ổn định của các nguyên tử tạo thành nó. Liên kết ion, trong đó một nguyên tử về cơ bản nhường một điện tử cho một nguyên tử khác, hình thành khi một nguyên tử trở nên ổn định bằng cách mất đi các điện tử bên ngoài của nó và các nguyên tử khác trở nên ổn định [thường bằng cách lấp đầy lớp vỏ hóa trị của nó] bằng cách thu nhận các điện tử. Liên kết cộng hóa trị hình thành khi dùng chung các nguyên tử mang lại tính ổn định cao nhất. Các loại liên kết khác ngoài liên kết ion và liên kết hóa trị cũng tồn tại.

Lớp vỏ electron đầu tiên chỉ chứa hai electron. Nguyên tử hydro [nguyên tử số 1] có một proton và một electron duy nhất, vì vậy nó có thể dễ dàng chia sẻ electron của mình với lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử khác. Một nguyên tử heli [nguyên tử số 2], có hai proton và hai electron. Hai electron hoàn thành lớp vỏ electron bên ngoài của nó [lớp vỏ electron duy nhất mà nó có], cộng với nguyên tử là trung hòa về điện theo cách này. Điều này làm cho helium ổn định và không có khả năng hình thành liên kết hóa học.

Trước đây, hydro và helium, dễ nhất là áp dụng quy tắc octet để dự đoán liệu hai nguyên tử có hình thành liên kết hay không và chúng sẽ hình thành bao nhiêu liên kết. Hầu hết các nguyên tử cần tám electron để hoàn thành lớp vỏ bên ngoài của chúng. Vì vậy, một nguyên tử có hai điện tử ngoài cùng thường sẽ hình thành liên kết hóa học với một nguyên tử thiếu hai điện tử để được "hoàn chỉnh".

Ví dụ, một nguyên tử natri có một electron duy nhất ở lớp vỏ ngoài cùng của nó. Ngược lại, một nguyên tử clo là một electron ngắn để lấp đầy lớp vỏ bên ngoài của nó. Natri dễ dàng tặng điện tử bên ngoài của nó [tạo thành ion Na + , vì sau đó nó có một proton nhiều hơn nó có điện tử], trong khi clo dễ dàng nhận một điện tử hiến tặng [tạo ra ion Cl - , vì clo bền khi nó có thêm một điện tử hơn nó có proton]. Natri và clo tạo liên kết ion với nhau để tạo thành muối ăn [natri clorua].

Bạn có thể nhầm lẫn về việc liệu sự ổn định của một nguyên tử có liên quan đến điện tích của nó hay không. Nguyên tử nhận hoặc mất electron để tạo thành ion sẽ bền hơn nguyên tử trung hòa nếu ion đó nhận được lớp vỏ electron đầy đủ bằng cách tạo thành ion.

Bởi vì các ion mang điện trái dấu hút nhau, các nguyên tử này sẽ dễ dàng hình thành liên kết hóa học với nhau.

Bạn có thể sử dụng bảng tuần hoàn để đưa ra một số dự đoán về việc các nguyên tử sẽ hình thành liên kết và loại liên kết nào mà chúng có thể hình thành với nhau. Ở phía ngoài cùng bên phải của bảng tuần hoàn là nhóm các nguyên tố được gọi là khí quý . Nguyên tử của các nguyên tố này [ví dụ, heli, krypton, neon] có đầy đủ lớp vỏ electron bên ngoài. Các nguyên tử này ổn định và rất hiếm khi tạo liên kết với các nguyên tử khác.

Một trong những cách tốt nhất để dự đoán liệu các nguyên tử sẽ liên kết với nhau và chúng sẽ hình thành loại liên kết nào là so sánh các giá trị độ âm điện của các nguyên tử. Độ âm điện là thước đo sức hút của một nguyên tử đối với các electron trong một liên kết hóa học.

Sự khác biệt lớn giữa các giá trị độ âm điện giữa các nguyên tử cho thấy một nguyên tử bị hút electron, trong khi nguyên tử kia có thể nhận electron. Các nguyên tử này thường tạo liên kết ion với nhau. Loại liên kết này hình thành giữa nguyên tử kim loại và nguyên tử phi kim.

Nếu so sánh được giá trị độ âm điện giữa hai nguyên tử thì chúng vẫn có thể hình thành liên kết hóa học để tăng độ bền của lớp vỏ electron hóa trị của chúng . Các nguyên tử này thường tạo thành liên kết cộng hóa trị.

Bạn có thể tra cứu giá trị độ âm điện của từng nguyên tử để so sánh chúng và quyết định xem một nguyên tử sẽ tạo thành liên kết hay không. Độ âm điện là một xu hướng của bảng tuần hoàn, vì vậy bạn có thể đưa ra các dự đoán chung mà không cần tra cứu các giá trị cụ thể. Độ âm điện tăng khi bạn di chuyển từ trái sang phải trong bảng tuần hoàn [ngoại trừ các khí quý]. Nó giảm khi bạn di chuyển xuống một cột hoặc một nhóm của bảng. Các nguyên tử ở phía bên trái của bảng dễ dàng tạo liên kết ion với các nguyên tử ở phía bên phải [một lần nữa, ngoại trừ các khí quý]. Các nguyên tử ở giữa bảng thường tạo liên kết kim loại hoặc liên kết cộng hóa trị với nhau.

Các nguyên tử của các nguyên tố có thể tồn tại một mình, nhưng chúng cũng thường xuyên liên kết với các nguyên tử của nguyên tố khác để tạo thành hợp chất, thành phần nhỏ nhất của các hợp chất là các phân tử. Các phân tử được tạo thành từ liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại và liên kết hydro

Liên kết ion

Liên kết ion xảy ra khi lớp vỏ nguyên tử mất hoặc nhận một hoặc nhiều electron, từ đó sinh ra lực hút tĩnh điện chiều âm hay dương. Ví dụ nguyên tố như Na có gần trống electron lớp ngoài cùng sẽ tương tác với Clo, nguyên tố có gần đủ electron lớp ngoài cùng. Khi Na mất một electron, điện tích của nó thành +1, khi Clo nhận một electron, điện tích của nó thành -1. Lực liên kết ion sẽ liên kết hai nguyên tố để tạo thành một phân tử, phân tử này ổn định hơn do có điện tích 0.

Liên kết ion NaCl

Liên kết cộng hóa trị

Thay vì mất đi hay nhận thêm electron, một số nguyên tử dùng hình thức dùng chung electron khi chúng hình thành phân tử. Nguyên tử liên kết với hình thức này gọi là liên kết cộng hóa trị, thường xảy ra đối với phi kim. Bằng cách chia sẻ chung electron, phân tử trở nên ổn định hơn bởi nguyên tử đã nhận được số electron cần thiết cho lớp ngoài. Các electron này bị thu hút với hạt nhân của mỗi nguyên tử, nguyên tử của cùng nguyên tố có thể hình thành một, hai hay ba liên kết cộng hóa trị, tùy thuộc vào số hóa trị của nguyên tố.

Liên kết cộng hóa trị Cl2

Liên kết kim loại

Liên kết kim loại, như tên gọi, chúng xảy ra ở các kim loại. Ở liên kết kim loại, nhiều nguyên tử chia sẻ chung electron hóa trị, hiện tượng này xảy ra bởi các nguyên tử chỉ liên kết lỏng lẻo với electron hóa trị, tạo điều kiện cho các electron này có thể di chuyển khá tự do, tạo cho kim loại có đặc tính dẻo và tính dẫn điện. Khả năng có thể bẻ cong hay tạo hình mà không bị vỡ, bể là do các electron chỉ trượt đi chứ không bị tách rời. Khả năng dẫn điện của kim loại cũng hình thành với các electron chia sẻ chung này di chuyển giữa các nguyên tử.

Liên kết kim loại

Liên kết hydro

Liên kết ion, liên kết cộng hóa trị và liên kết kim loại là ba loại liên kết chính tạo thành các hợp chất và tạo nên các đặc tính riêng của nguyên tố, liên kết hydro là liên kết đặc biệt chỉ xảy ra giữa hydro và các nguyên tố có độ âm điện rất cao là oxy, ni tơ, flo. Các nguyên tử này lớn hơn rất nhiều so với nguyên tử hydro nên các electron có xu hướng lệch về nguyên tử lớn hơn, tạo nên điện tích âm nhẹ cho nguyên tử này và điện tích dương nhẹ cho nguyên tử hydro. Sự phân cực này làm các phân tử nước liên kết với nhau và làm cho nước có thể hòa tan nhiều các hợp chất khác.

Liên kết hydro của phân tử nước

Hệ quả của liên kết

Một số nguyên tử có thể hình thành nhiều loại liên kết, ví dụ, kim loại như Ma giê có thể hình thành liên kết ion hay liên kết kim loại, tùy thuộc các nguyên tử khác là kim loại hay phi kim. Với mỗi loại liên kết sẽ tạo thành hợp chất ổn định hơn và có các đặc tính riêng biệt.