2.3 Kjemiske bindinger

Hvorfor slår atomer seg sammen?

Tenk deg at du har bordsalt i hånden. Du vet nå at det består av natrium og klor. Natrium er et metall som eksploderer i kontakt med vann. Klor er en giftig, grønnlig gass som ble brukt som stridsgass i første verdenskrig. Allikevel er kombinasjonen av disse to et hvitt, uskyldig pulver som du drysser på maten din hver eneste dag. Hvordan er det mulig?

Svaret ligger i kjemiske bindinger. Når natrium og klor møtes, skjer det noe dramatisk med elektronene deres, og resultatet er et helt nytt stoff med helt andre egenskaper. Kjemiske bindinger er limet som holder atomer sammen, og de forklarer hvorfor verden ser ut som den gjør.

Men hvorfor danner atomer bindinger i det hele tatt? Husker du oktettregelen fra forrige kapittel? Atomer streber etter å ha 8 elektroner i ytterste skall, akkurat som edelgassene. Edelgassene er stabile nettopp fordi de allerede har fullt skall, og de reagerer nesten aldri med noe. Alle andre atomer prøver å oppnå den samme stabiliteten, og det gjør de ved å avgi, ta opp eller dele elektroner med andre atomer. Det er dette som er kjemiske bindinger.

I dette kapittelet skal du lære om de tre hovedtypene: ionebinding, kovalent binding og metallbinding.

Ionebinding: Gi og ta

La oss starte med det som skjer mellom natrium og klor. Natrium har elektronkonfigurasjon 2-8-1. Det har altså 1 valenselektron som det gjerne vil kvitte seg med, for da sitter det igjen med fullt L-skall (2-8). Klor har elektronkonfigurasjon 2-8-7 og ønsker seg 1 elektron til for å få fullt M-skall (2-8-8).

Løsningen er elegant: Natrium gir sitt ene valenselektron til klor. Natrium har nå 11 protoner men bare 10 elektroner, og blir derfor positivt ladet. Vi kaller det et kation og skriver det som Na pluss. Klor har nå 17 protoner og 18 elektroner, og blir negativt ladet. Vi kaller det et anion og skriver det som Cl minus.

Og hva skjer når du har en positiv og en negativ ladning rett ved siden av hverandre? De tiltrekker hverandre, selvfølgelig. Denne tiltrekningskraften mellom det positive og det negative ionet er det vi kaller ionebinding.

Det samme prinsippet gjelder for magnesiumoksid. Magnesium har 2 valenselektroner (2-8-2) og gir begge til oksygen, som har 6 valenselektroner (2-6) og trenger nettopp 2 til. Resultatet er Mg to pluss og O to minus, som tiltrekker hverandre og danner MgO.

Ioneforbindelser har noen typiske egenskaper. De har høyt smeltepunkt fordi det kreves mye energi for å bryte de sterke tiltrekningskreftene mellom ionene. De er sprø fordi ionene kan forskyves og stoppe hverandre. Og de leder elektrisk strøm når de er løst i vann eller smeltet, fordi ionene da kan bevege seg fritt.

Kovalent binding: Å dele er å bry seg

Hva skjer når to ikke-metaller møtes? Ingen av dem er villige til å gi fra seg elektroner, for ikke-metaller holder hardt på elektronene sine. Løsningen er at de deler elektroner i stedet.

Tenk på to hydrogenatomer. Hvert hydrogenatom har bare 1 elektron, men ønsker seg 2 for å ligne på helium. Når de to atomene kommer nær hverandre, deler de elektronene sine. Hvert atom «føler» at det har 2 elektroner, fordi det ene felles elektronparet tilhører begge. Denne delingen av elektroner kalles kovalent binding, og resultatet er et hydrogenmolekyl, H₂.

Et molekyl er rett og slett to eller flere atomer som er bundet sammen med kovalente bindinger. Vann, H₂O, er et av de viktigste molekylene på jorden. Oksygen har 6 valenselektroner og trenger 2 til. Hvert hydrogen har 1 og trenger 1 til. Oksygen deler derfor 1 elektronpar med hvert av to hydrogenatomer, og vips har vi vannmolekylet.

Atomer kan dele mer enn ett elektronpar. I oksygengass, O₂, deler to oksygenatomer 2 elektronpar, en dobbeltbinding. I nitrogengass, N₂, deles hele 3 elektronpar, en trippelbinding. Jo flere elektronpar som deles, desto sterkere er bindingen.

Kovalente forbindelser har typisk lavere smeltepunkt enn ioneforbindelser og leder vanligvis ikke elektrisk strøm, fordi det ikke finnes frie ioner eller elektroner som kan bevege seg.

La oss også se på kjemiske formler. En kjemisk formel viser hvilke atomer molekylet inneholder og hvor mange. I H₂O betyr tallet 2 at det er 2 hydrogenatomer, mens oksygen uten tall betyr 1 oksygenatom. I CO₂ har vi 1 karbon og 2 oksygen. I glukose, C₆H₁₂O₆, har vi 6 karbon, 12 hydrogen og 6 oksygen.

Metallbinding: Elektronskyen

Vi har sett hva som skjer mellom metall og ikke-metall (ionebinding) og mellom ikke-metall og ikke-metall (kovalent binding). Men hva skjer når metall møter metall?

I et metall er atomene ordnet i et fast, regelmessig gitter. Valenselektronene er ikke knyttet til bestemte atomer, men flyter fritt mellom alle atomene i gitteret. Vi kan forestille oss positive metallioner som sitter fast i gitteret, omgitt av en sky av frie elektroner som holder alt sammen. Denne elektronskyen er det vi kaller metallbinding.

De frie elektronene forklarer hvorfor metaller har sine karakteristiske egenskaper. Metaller leder elektrisk strøm fordi elektronene kan bevege seg fritt gjennom materialet. De leder varme fordi de frie elektronene kan overføre energi raskt. Og de er formbare fordi metallionene kan gli forbi hverandre uten at bindingene brytes. Elektronskyen tilpasser seg bare den nye formen.

La oss nå sammenligne de tre bindingstypene. Ionebinding er elektronoverføring mellom metall og ikke-metall og gir stoffer med høyt smeltepunkt som er sprø og leder strøm i oppløsning. Kovalent binding er elektrondeling mellom ikke-metaller og gir stoffer med lavere smeltepunkt som vanligvis ikke leder strøm. Metallbinding har en elektronsky mellom metallatomer og gir stoffer som leder strøm og varme og er formbare.

En enkel huskeregel for å bestemme bindingstype: Er begge atomene metaller? Da er det metallbinding. Er det ett metall og ett ikke-metall? Da er det ionebinding. Er begge atomene ikke-metaller? Da er det kovalent binding.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi forstått hvorfor atomer danner bindinger: De streber etter fullt ytterste elektronskall, akkurat som de stabile edelgassene. Oktettregelen, ønsket om 8 valenselektroner, er drivkraften bak all kjemi.

Vi har lært tre typer kjemiske bindinger. Ionebinding oppstår mellom metall og ikke-metall ved at elektroner overføres. Metallet mister elektroner og blir et positivt kation, ikke-metallet tar opp elektroner og blir et negativt anion, og ionene holdes sammen av tiltrekningskraften mellom ladningene. Ioneforbindelser har høyt smeltepunkt, er sprø, og leder strøm i oppløsning.

Kovalent binding dannes mellom to ikke-metaller ved at de deler elektronpar. Vi kan ha enkeltbindinger (1 par), dobbeltbindinger (2 par) eller trippelbindinger (3 par). Molekyler som H₂O, CO₂ og N₂ holdes sammen av kovalente bindinger.

Metallbinding finnes mellom metallatomer i et gitter, der frie elektroner danner en sky som holder positive metallioner sammen. Dette gir metaller sine kjente egenskaper: de leder strøm og varme og er formbare.

Vi har også lært å lese kjemiske formler og å bruke en enkel huskeregel for å bestemme bindingstype basert på om stoffene er metaller eller ikke-metaller.