Kemična vez se zgodi, ko se dva ali več atomov združita in tvorita molekulo. Splošno načelo v znanosti je, da bodo vsi sistemi poskušali doseči najnižjo energijsko raven, kemična vez pa bo nastala le, ko lahko nastane molekula, ki ima manj energije kot njeni nepovezani atomi. Tri glavne vrste vezi so ionska, kovalentna in kovinska. Vsi ti vključujejo elektrone, ki se premikajo med atomi na različne načine. Druga, veliko šibkejša vrsta je vodikova vez.
Atomska struktura
Atomi so sestavljeni iz jedra, ki vsebuje pozitivno nabite protone, ki ga obdaja enako število negativno nabitih elektronov. Običajno so torej električno nevtralni. Vendar lahko atom izgubi ali pridobi enega ali več elektronov, kar mu daje pozitiven ali negativen naboj. Ko ima nekdo električni naboj, se imenuje ion.
Pri kemični vezi sodelujejo elektroni. Ti delci so razporejeni v lupine, za katere je mogoče misliti, da obstajajo na naraščajočih razdaljah od jedra. Na splošno velja, da dlje kot so lupine od jedra, več energije imajo. Obstaja omejitev števila elektronov, ki lahko zasedejo lupino. Na primer, prva, najbolj notranja lupina ima omejitev dveh, naslednja lupina pa osem.
V večini primerov pri vezavi sodelujejo le elektroni v najbolj oddaljeni lupini. Te pogosto imenujemo valenčni elektroni. Splošno pravilo je, da se atomi nagibajo k združevanju med seboj na tak način, da vsi dosežejo polne zunanje lupine, saj imajo te konfiguracije običajno manj energije. Skupina elementov, znanih kot žlahtni plini – helij, neon, argon, kripton, ksenon in radon – ima že polne zunanje lupine in zaradi tega običajno ne tvorijo kemičnih vezi. Drugi elementi bodo na splošno poskušali doseči strukturo plemenitega plina z dajanjem, sprejemanjem ali delitvijo elektronov z drugimi atomi.
Kemične vezi včasih predstavlja nekaj, kar se imenuje Lewisova struktura, poimenovana po ameriškem kemiku Gilbertu N. Lewisu. V Lewisovi strukturi so valenčni elektroni predstavljeni s pikami tik zunaj kemičnih simbolov za elemente v molekuli. Jasno kažejo, kje so se elektroni premaknili iz enega atoma v drugega in kje so si delijo atomi.
Ionska vezava
Ta vrsta kemične vezi poteka med kovinami, ki zlahka oddajo elektrone, in nekovinami, ki jih želijo sprejeti. Kovina daje elektrone v svoji nepopolni najbolj oddaljeni lupini nekovini, pri čemer ta lupina ostane prazna, tako da polna lupina spodaj postane njena nova najbolj oddaljena lupina. Nekovina sprejema elektrone, da napolni svojo nepopolno najbolj oddaljeno lupino. Na ta način sta oba atoma dosegla polne zunanje lupine. Tako ostane kovina s pozitivnim nabojem, nekovina pa z negativnim nabojem, tako da sta pozitivni in negativni ioni, ki se privlačijo drug drugega.
Preprost primer je natrijev fluorid. Natrij ima tri lupine, z enim valenčnim elektronom na skrajni zunanji strani. Fluor ima dve lupini, s sedmimi elektroni na skrajni zunanji strani. Natrij daje atomu fluora svoj en valenčni elektron, tako da ima natrij zdaj dve popolni lupini in pozitiven naboj, medtem ko ima fluor dve celi lupini in negativni naboj. Nastala molekula – natrijev fluorid – vsebuje dva atoma s popolno zunanjo lupino, ki sta povezana z električno privlačnostjo.
Kovalentna vezava
Atomi nekovin se združujejo med seboj tako, da si delijo elektrone na tak način, da znižujejo svojo celotno energijsko raven. To običajno pomeni, da imajo v kombinaciji vsi polne zunanje lupine. Če vzamemo preprost primer, ima vodik samo en elektron v svoji prvi – in edini – lupini, zaradi česar je manj kot polna lupina. Dva vodikova atoma si lahko delita svoje elektrone, da tvorita molekulo, v kateri imata oba polno zunanjo lupino.
Pogosto je mogoče predvideti, kako se bodo atomi združili med seboj, glede na število elektronov, ki jih imajo. Na primer, ogljik ima šest, kar pomeni, da ima polno prvo lupino dveh in najbolj zunanjo lupino štiri, tako da je štiri manj kot polna zunanja lupina. Kisika ima osem, torej šest v svoji zunanji lupini – dve manjša od polne lupine. Atom ogljika se lahko združi z dvema atomoma kisika, da tvori ogljikov dioksid, v katerem si ogljik deli štiri elektrone, dva z vsakim atomom kisika, kisikova atoma pa si delita vsak dva svoja elektrona z atomom ogljika. Na ta način imajo vsi trije atomi polne zunanje lupine, ki vsebujejo osem elektronov.
Kovinsko lepljenje
V kosu kovine se valenčni elektroni bolj ali manj prosto gibljejo, ne pa pripadajo posameznim atomom. Kovina je torej sestavljena iz pozitivno nabitih ionov, obdanih z mobilnimi, negativno nabitimi elektroni. Ione je mogoče relativno enostavno premikati, vendar jih je zaradi privlačnosti elektronov težko ločiti. To pojasnjuje, zakaj je kovine na splošno enostavno upogniti, vendar jih je težko zlomiti. Mobilnost elektronov tudi pojasnjuje, zakaj so kovine dobri prevodniki električne energije.
Vodikova vez
Za razliko od zgornjih primerov vodikova vez vključuje vez med molekulami in ne znotraj njih. Ko se vodik združi z elementom, ki močno privlači elektrone – na primer fluor ali kisik – se elektroni odmaknejo od vodika. Posledica tega je molekula s splošnim pozitivnim nabojem na eni strani in negativnim nabojem na drugi strani. V tekočini se pozitivna in negativna stran privlačita in tvorita vezi med molekulami.
Čeprav so te vezi veliko šibkejše od ionskih, kovalentnih ali kovinskih vezi, so zelo pomembne. Vodikova vez poteka v vodi, spojini, ki vsebuje dva atoma vodika in enega atoma kisika. To pomeni, da je za pretvorbo tekoče vode v plin potrebno več energije, kot bi bilo sicer. Brez vodikove vezi bi imela voda veliko nižje vrelišče in ne bi mogla obstajati kot tekočina na Zemlji.