Wiązania kowalencyjne to wiązania chemiczne pomiędzy dwoma atomami niemetalicznymi. Przykładem jest woda, gdzie wodór (H) i tlen (O) łączą się ze sobą w celu utworzenia (H2O). Pełna powłoka zewnętrzna ma zazwyczaj osiem elektronów, lub dwa w przypadku wodoru lub helu. Elektrony walencyjne to elektrony trzymane stosunkowo luźno w zewnętrznej powłoce atomu. Struktura powłok elektronów jest okre¶lona przez mechanikę kwantow±).
O liczbie elektronów w atomie decyduje liczba protonów w atomie. Elektrony orbitują w jądrach atomowych, i są jak rozmyte ścieżki orbitalne wokół jądra atomu. Pierwsza warstwa ma do dwóch elektronów. Warstwy następne zawierają zazwyczaj do ośmiu elektronów. Wiązania kowalencyjne są tworzone przez atomy dzielące elektrony walencyjne.
Jeżeli, na przykład, atom miał dziewięć elektronów, pierwsze dwie orbity bardzo blisko jądra, następne siedem orbit nieco dalej. Zewnętrzne siedem elektronów jest mniej ściśnięte niż wewnętrzne dwa elektrony, ponieważ są one bardziej oddalone od dodatnio naładowanego jądra. Jeżeli ten atom zbliży się do innego atomu, z luźno trzymanym elektronem w jego zewnętrznej powłoce, to dla luźno trzymanego elektronu pojawi się nowa orbita. Ta nowa orbita elektronowa jest związana z obu jądrami atomowymi i ma niższy poziom energii niż oryginalna orbita elektronowa. Elektron może spontanicznie przeskakiwać do niej i emitować foton z nadmiarem energii. Teraz mamy elektron krążący wokół obu atomów, co daje atom, który pod warunkiem, że ma niewielki dodatni ładunek netto, a drugi atom ma niewielki ujemny ładunek netto. Te dwa atomy są teraz trzymane razem przez elektromagnetyczną siłę przyciągania pomiędzy dodatnim i ujemnym ładunkiem. To jest nazywane wiązaniem kowalencyjnym. Aby zerwać to wiązanie potrzebuje tej samej ilości energii, która została uwolniona podczas jego tworzenia.
Molekuła wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniem kowalencyjnym. W tym przypadku atom tlenu dzieli jeden elektron z każdym atomem wodoru. Oznacza to, że atomy tlenu mają niewielki dodatni ładunek netto, a atom wodoru ma niewielki ujemny ładunek netto. W rezultacie atomy tlenu i wodoru są przyciągane do siebie przez siłę elektromagnetyczną. Z tego powodu cząsteczka wody jest cząsteczką polarną: jej ładunek nie jest równomiernie rozłożony.
