Wiązanie chemiczne jest to swoiste oddziaływanie pomiędzy drobinami, wywołane dążeniem atomów do uzyskani energetycznie trwałego rozmieszczenia elektronów wokół jąder. Wyróżnia się trzy podstawowe typy wiązań chemicznych: atomowe (inaczej zwane kowalencyjnymi), jonowe i metaliczne. Większość związków chemicznych ma wiązania pośrednie, z dominacją jednego typu, np. w HCl występuje w 83% wiązanie kowalencyjne, a w 17% wiązanie jonowe. Miarą trwałości danego wiązania jest ilość energii potrzebna do jego rozerwania.

  • wiązanie atomowe (kowalencyjne) - powstaje między atomami pierwiastków o identycznych lub zbliżonych wartościach elektroujemności. Wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane powstaje między dwoma atomami tego samego pierwiastka. Tworzy je para elektronów pochodząca w równym stopniu od obydwu partnerów. Przykładem wiązania kowalencyjnego niespolaryzowanego jest wiązanie występujące w cząsteczkach H2, O2, N2. Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane tworzy się między atomami pierwiastków o zbliżonych wartościach elektroujemności. Jest to wiązanie ukierunkowane, a elektrony uwspólnione, które tworzą to wiązanie są przesunięte w kierunku atomu o większej elektroujemności.
  • wiązanie jonowe - polega na oddziaływaniu elektrostatycznym pomiędzy dwoma różnoimiennymi jonami. Tworzy się ono między atomami pierwiastków znacznie różniących się elektroujemnością, głównie między metalami i niemetalami. Wiązanie jonowe jest wiązaniem bezkierunkowym.
  • wiązanie metaliczne - polega na współistnieniu w równowadze elektrostatycznej rdzeni atomowych z ruchliwym gazem elektronowym. Jest ono charakterystyczne dla metali i ich stopów w stałym lub ciekłym stanie skupienia.

Poza typowymi wiązaniami chemicznymi istnieją słabe oddziaływania międzycząsteczkowe. Oddziaływania te znacząco wpływają na temperaturę wrzenia i temperaturę topnienia danej substancji. Oddziaływania te można podzielić na dwie grupy: siły van der Waalsa i wiązania wodorowe.

  • wiązanie wodorowe - jest to słabe oddziaływanie między związanym wodorem i atomem pierwiastka o dużej elektroujemności, ulokowanym w drugiej cząsteczce. Najczęściej są to atomy fluoru, chloru, tlenu i węgla - jeżeli ten jest związany z pierwiastkiem silnie elektroujemnym. Wszystkie te atomy posiadają wolną parę elektronową. Powstawanie wiązania wodorowego zostanie wyjaśnione na przykładzie cząsteczki wody, która zawiera silnie spolaryzowane wiązanie między tlenem i wodorem. Atom tlenu ma większą elektroujemność i przyciąga on w swoim kierunku elektrony tworzące wiązanie, co powoduje że atom wodoru zyskuje znaczny cząstkowy ładunek dodatni. Atom wodoru, który jest dodatnio naładowany jest z kolei przyciągany przez wolną parę elektronową znajdującą się na atomie tlenu sąsiadującej cząsteczki wody. Na skutek oddziaływania ujemnie naładowanej wolnej pary elektronowej atomu tlenu cząstkowego ładunku dodatniego atomu wodoru powstaje wiązanie wodorowe.

Wiązania wodorowe odgrywają bardzo istotna rolę w przestrzennej budowie białek. Dzięki wiązaniom wodorowym struktury białkowe są trwałe. Wiązanie wodorowe występuje także między cząsteczkami wody i odpowiada za jej szczególne właściwości, które umożliwiają życie na ziemi. Cząsteczki wody są silnie połączone dzięki wiązaniom wodorowym, co powoduje, że woda odznacza się znacznie wyższą temperatura wrzenia niż wynikałoby to z obliczeń. Gdy woda krzepnie wiązanie wodorowe utrzymuje jej cząsteczki w pewnej odległości od siebie, co powoduje, że lód ma mniejszą gęstość niż ciekła woda i pływa po jej powierzchni. Na skutek istnienia wiązań wodorowych woda ma także znaczną pojemność cieplną, co przyczynia się do złagodzenia klimatu na Ziemi, ponieważ ogromne ilości wody znajdujące się w morzach i oceanach powoli się nagrzewają i powoli stygną. Również drewno zawdzięcza swoja wytrzymałość istnieniu wiązań wodorowych. Wiązania wodorowe występują bowiem między łańcuchami cząsteczek celulozy, które zawierają dużą ilość grup wodorotlenowych -OH.

Wiązanie to oznacza się zwykle za pomocą linii przerywanej.

H - O - H. . . . .OH2 wiązanie wodorowe pomiędzy dwoma cząsteczkami wody

  • siły van der Waalsa - mają charakter elektrostatyczny i w zasadzie odnoszą się do oddziaływań między niepolarnymi cząsteczkami typu CH4 czy Cl2, lub pomiędzy nie wiążącymi się atomami gazów szlachetnych. Siły te powstają na skutek wzajemnego oddziaływania jąder i elektronów w cząsteczkach. W wyniku nieustannego ruchu elektronów i oscylacji jąder atomowych, dokonuje się czasowa polaryzacja ładunków i powstają indukowane chwilowe dipole. Polaryzowalność poszczególnych atomów lub cząsteczek jest proporcjonalna do ich masy. Siły van der Waalsa są słabe jeżeli chodzi o małe cząsteczki, jednak w przypadku większych cząsteczek mogą one być silniejsze nawet od wiązań chemicznych (dzieje się tak na przykład w tworzywach sztucznych czy smarach). Ma to również wpływ na temperatury wrzenia substancji. Obserwuje się zwykle znaczne wartości temperatur wrzenia dla cząsteczek o dużych rozmiarach, natomiast małe wartości temperatur wrzenia dla cząsteczek mniejszych. Oddziaływania te zależą także od kształtu cząsteczki, co powoduje różnice w temperaturach wrzenia w przypadku związków organicznych. Na przykład cząsteczka o wzorze C5H12 w zależności od tego czy posiada strukturę liniową czy rozgałęziona ma różne temperatury wrzenia. Cząsteczka posiadająca strukturę liniową ma wyższą temperaturę wrzenia niż cząsteczka o strukturze rozgałęzionej. Jest to związane z tym, że oddziaływania van der Waalsa są silniejsze w przypadku bardziej zbliżonych do siebie cząsteczek o strukturze liniowej. Siły van der Waalsa są uniwersalne i występują one we wszystkich cząsteczkach, niezależnie od ich rozmiaru czy kształtu.

Prawo okresowości zostało sformułowane przez rosyjskiego chemika Dymitra Menedelejewa w 1896 roku. Stwierdził on, że właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków chemicznych, które są ułożone według wzrastających mas atomowych, powtarzają się okresowo. Wyrazem tego prawa jest układ okresowy pierwiastków. Układ okresowy stworzony przez Mendelejewa zawierał 63 pierwiastki. Ponadto uczony zostawił wolne pola w miejscach, gdzie pierwiastki znacznie różniły się właściwościami i w przybliżeniu określił właściwości pierwiastków, które nie zostały jeszcze odkryte. Bardzo dobrym przykładem powtarzających się okresowo właściwości pierwiastków jest pierwsza i ostatnia grupa układu okresowego. I tak np. znając właściwości pierwszego pierwiastka (litu) z grupy litowców można przewidzieć właściwości pozostałych. Obecnie prawo okresowości mówi, że właściwości pierwiastków uszeregowanych według wzrastających liczb atomowych zmieniają się w sposób ciągły i periodyczny (okresowy). Liczba atomowa, poza nielicznymi wyjątkami zmienia się równolegle do masy atomowej. Wyjaśnienie tego czysto doświadczalnego prawa było możliwe dopiero w XX wieku, kiedy została poznana struktura atomu.

Rzeczywistą podstawą układu okresowego jest konfiguracja elektronowa pierwiastków. Zgodnie z tym pierwiastki określone ta samą konfiguracją elektronów walencyjnych (znajdujących się na ostatniej powłoce), znajdują się w pionowych kolumnach, zwanych grupami. Natomiast pierwiastki, których właściwości kolejno się zmieniają są uszeregowane w siedmiu poziomych szeregach nazwanych okresami. Nazwę grupy tworzy się od nazwy pierwiastka, znajdującego się na początku grupy. Biorąc pod uwagę podobieństwo struktur elektronowych pierwiastki zostały podzielone na tzw. bloki. Do bloku s należą pierwiastki pierwszej i drugiej grupy układu okresowego. Pierwiastki umieszczone w grupach 13-18 zaliczane są do bloku p, a te które są w grupach 3-12 tworzą blok d. Aktynowce i lantanowce należą do bloku f.

Analizując położenie poszczególnych pierwiastków w układzie okresowym oraz ich właściwości chemiczne i fizyczne z łatwością możemy potwierdzić słuszność prawa okresowości. Wielkościami fizycznymi, które zmieniają się okresowo w zależności od położenia pierwiastka w układzie okresowym zaliczane są między innymi promienie jonowe i atomowe, gęstość, temperatura wrzenia i topnienia, elektroujemność, energia jonizacji, stopień utlenienia.

Węgiel C (łac. carboneum), który należy do 14 grupy układu okresowego (węglowce) występuje w trzech odmianach alotropowych (grafit, diament i fullereny). Diament jest najtwardszym z minerałów spotykanych w przyrodzie (10 w skali Mohsa). Tworzy on kryształy o budowie regularnej oraz skupienia ziarniste. Ma on bardzo silny połysk. Czysty diament jest bezbarwny, natomiast zanieczyszczenia powodują, że przyjmuje on zabarwienie niebieskie, żółte, fioletowe, zielone, różowe, brunatne, a nawet czarne. Minerał ten krystalizuje na bardzo dużych głębokościach, pod dużym ciśnieniem i w wysokiej temperaturze w skałach metamorficznych ( tzw. ekloglity, które znajdują się w Kanadzie, RPA, Australii, Rosji) oraz skałach magmowych (tzw. kimberlitach). Diamenty można tez otrzymać sztucznie. Znalazły zastosowanie w złotnictwie, jubilerstwie, do cięcia szkła, w wiertnictwie oraz jako materiał ścierny. Grafit to druga odmiana alotropowa węgla. Jest to czarno-szare ciało stałe, które cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Grafit jest bardzo miękki (1 w skali Mohsa) i łupliwy. Jest tłusty w dotyku, odporny chemicznie i odporny na działanie wysokich temperatur. Spotykany jest głównie w skałach metamorficznych. Główne złoża tego minerału znajdują się na Madagaskarze, w Sri Lance, Meksyku, Ukrainie, Rosji, Austrii, Szwecji, Korei Południowej. W Polsce grafit występuje w niewielkich ilościach na dolnym Śląsku. Grafit również może zostać otrzymany sztucznie, na skutek ogrzewania substancji zawierających duże ilości węgla w wysokich temperaturach. Grafit znalazł zastosowanie do wyrobu elektrod, retort, tygli chemicznych, moderator w reaktorach jądrowych, do produkcji ołówków, farb, tuszów oraz jako suchy smar. Fullereny to cząsteczki zawierające bardzo duże ilości atomów węgla. Zostały one odkryte w latach osiemdziesiątych XX wieku, a ich nazwa wywodzi się od nazwiska amerykańskiego konstruktora R. Buckminstera Fullera.. Naukowcy, którzy dokonali odkrycia fullerenów dostali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Najczęściej występują cząsteczki zawierające 60 i 70 atomów węgla, a największą cząsteczką jako udało się zaobserwować jest C960. Fullereny można otrzymać poprzez odparowanie grafitu w atmosferze gazu obojętnego, np. helu lub w próżni. Tej alotropowej odmiany węgla nie udało się znaleźć w przyrodzie, jednak naukowcy przypuszczają że znajdują się one w pyłach kosmicznych.

Węgiel jest to niemetal, który sublimuje bez stopienia w temperaturze 36520°. Jego liczba atomowa wynosi 6, natomiast masa atomowa to 12,011. Nie ulega on rozpuszczeniu w kwasach, zasadach i wodzie, natomiast rozpuszcza się w wielu stopionych metalach, jest więc mało aktywny pod względem chemicznym. Węgiel tworzy połączenia, w których występuje na +II (np. tlenek węgla(II), CO), +IV i -IV stopniu utlenienia. W temperaturze pokojowej węgiel powoli reaguje z tlenem. Szybkość tej reakcji wzrasta jeśli zwiększymy temperaturę, w której zachodzi. Przy całkowitym dostępie tlenu otrzymamy tlenek węgla(IV) CO2, natomiast przy niecałkowitym tlenek węgla(II) CO. Węgiel posiada właściwości redukujące i stosowany jest w otrzymywaniu wielu metali z ich tlenków. W wysokiej temperaturze pierwiastek ten reaguje z niektórymi metalami, dając węgliki. Węgiel jest pierwiastkiem dobrze rozpowszechnionym w przyrodzie, gdzie występuje w stanie wolnym (jako diament i grafit) oraz w związanym, jako dwutlenek węgla, węglany oraz w postaci węgli kopalnych (skały osadowe, które są mieszaniną różnorodnych związków chemicznych). Węgle kopalne powstały wiele milionów lat temu, na skutek przeobrażenia materiału pochodzenia roślinnego. Proces ten zachodził bardzo długo, bez dostępu powietrza oraz w wysokiej temperaturze i dużym ciśnieniu. Węgle kopalne można podzielić ze względu na materiał roślinny z jakiego powstały na trzy rodzaje: humolity (najważniejsze gospodarczo i najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie), liptobiolity (powstały z żywiczno-woskowych elementów roślin) i sapropelity (spotykane w mniejszych ilościach). W zależności od zawartości węgla wyróżnia się następujące rodzaje węgla kopalnego: węgiel kamienny (zawiera ok.85% pierwiastkowego węgla), węgiel brunatny (do 70%), torf (najmniejsze ilości węgla, około 60%), antracyt (nawet do 96% węgla ). Elementarnym składnikiem węgla kopalnego jest macerał. Rodzaj macerału w znaczący sposób wpływa na właściwości węgla kopalnego.

Dwutlenek węgla jest bezwodnikiem nietrwałego i słabego kwasu węglowego H2CO3. Sole tego kwasu, węglany, są natomiast o wiele trwalsze.

Węgiel jest ważnym surowcem energetycznym. Ilość związków węgla jest ogromna i przewyższa ilość połączeń innych pierwiastków (z wyjątkiem wodoru). Pierwiastek ten jest także podstawą życia na Ziemi, wchodzi on bowiem w skład związków organicznych. Izotop węgla 14C, który jest promieniotwórczy znalazł zastosowanie do określania wieku przedmiotów (tzw. datowanie radiowęglowe). Powstaje on w górnych warstwach atmosfery. Ma on także duże znaczenie w różnych badaniach biochemicznych.