In het artikel over Samengestelde stoffen en bindingen  zagen we hoe de elektronen van atomen met elkaar kunnen interageren wanneer zij bij elkaar in de buurt komen.

Een ion is een elektrisch geladen deeltje. Dat deeltje kan een atoom zijn, een molecuul of een groep atomen. Een groep atomen wordt een polyatomisch ion genoemd. Een ion kan een elektrische lading hebben. Die lading kan positief zijn of negatief. Faraday heeft ionen met een negatieve lading anionen genoemd. Ionen met een positieve lading noemde hij kationen.

De interactie tussen deeltjes met elektrische lading kan geobserveerd worden in waterige oplossingen. Wat chemici of moleculaire biologen observeren, is dat de negatieve anion zich in de richting van de positieve anode verplaatst en dat de positief geladen kation zich in de richting van de negatieve kathode verplaatst wanneer zij samen met elkaar in een waterige oplossing worden geplaatst.

Een voorbeeld hiervan is de interactie tussen Na+ en Cl- in een waterige oplossing.

We hebben het in het vorige artikel gehad over energieniveaus en valentieschillen wanneer we het hadden over de fysische eigenschappen van elektronen. Het is belangrijk te beseffen dat het visuele model waarmee we elektronen voorstellen, geen exacte weergave is van de realiteit, de afbeelding is een hulpmiddel om ons de werking van kleine deeltjes beter voor te kunnen stellen. Elektronenschillen worden sinds 1900 visueel voorgesteld in een tweedimensionale tekening en dat ziet er uit als concentrische cirkels. Iedere concentrische cirkel geeft de gemiddelde afstand weer tussen een elektron in de schil en de nucleus. In realiteit kunnen we niet weten waar de elektron zich precies bevindt. Deeltjes zijn voortdurend in beweging. Het beste wat we kunnen doen, is beschrijven waar in de ruimte de elektron zich het meeste van de tijd bevindt. De driedimensionale ruimte waarin een elektron 90% van de tijd wordt gevonden, noemen we een orbital.

[afbeelding]

Iedere elektronschil bevat elektronen van een bepaald energieniveau. Maar er zijn bepaalde wetmatigheden op te merken in de kenmerken van elektronen. In één systeem kunnen twee deeltjes niet in dezelfde toestand zijn. Dit principe heet het uitsluitingsprincipe van Pauli.

Bijvoorbeeld: 2 elektronen in een helium atoom hebben verschillende spin.

Spin is de snelheid van de rotatie van een deeltje rond zijn eigen as. Die snelheid kan uitgedrukt worden in volle getallen of halve getallen. Bij volle getallen (0, 1, 2, ...) hebben we het over integrale spin. Deeltjes met integrale spin noemen we bosonen. Bij waarden die uitgedrukt worden door halve getallen (1/2, 2/3,..) hebben we het over halfintegrale spin. Die deeltjes noemen we fermionen. Fermionen willen elk apart zijn. Bosonen willen samen zijn in een bepaalde ruimte.

Deeltjes met een halfintegrale spin, dat is een spin die uitgedrukt wordt met halve waarden: ½ of ⅔ voldoen aan het uitsluitingsprincipe van Pauli. Deze deeltjes noemen we fermionen.

Deeltjes met een integrale spin. Dat zijn deeltjes met volle waarden: 0,1,2 etc. voldoen niet aan het principe van Pauli. Deze deeltjes noemen we bosonen.

Visueel voorgesteld kunnen we stellen dat fermionen elk apart willen zijn en dat bosonen samen willen zijn.

[afbeelding]

Naast de eigenschap spin, speelt een tweede eigenschap een rol: de golffunctie van een elektron.

De golffunctie van een elektron noemen we een orbitaal. Voor de eerste schil is er maar één mogelijkheid. Bolvormig (1s) Voor de tweede schil zijn er vier opties. Er is een bolvormige orbitaal (2s) en er zijn drie verschillende haltervormige orbitalen (2px, 2py, 2pz). Aangezien je bij elk van die drie orbitalen een deeltje met spin op een ander deeltje met spin kunt plaatsen, passen er in totaal acht elektronen in de tweede schil. Voor hogere schillen bestaan er nog ingewikkeldere orbitaalvormen.