I legami covalenti sono legami chimici tra due atomi non metallici. Un esempio è l'acqua, dove l'idrogeno (H) e l'ossigeno (O) si legano insieme per formare (H2O). Un guscio esterno completo di solito ha otto elettroni, o due nel caso dell'idrogeno o dell'elio. Gli elettroni di valenza sono gli elettroni che si trovano relativamente allentati nel guscio esterno dell'atomo. La struttura dei gusci di elettroni è determinata dalla meccanica quantistica).
Il numero di elettroni in un atomo è deciso dal numero di protoni nell'atomo. Gli elettroni orbitano intorno ai nuclei atomici, e sono come percorsi orbitali confusi intorno ad un nucleo atomico. Il primo strato ha fino a due elettroni. Gli strati successivi di solito ne contengono fino a otto. I legami covalenti sono formati da atomi che condividono elettroni di valenza.
Se per esempio un atomo avesse nove elettroni, le prime due orbite molto vicine al nucleo, le successive sette orbite un po' più lontane. I sette elettroni esterni sono meno stretti dei due elettroni interni perché sono più lontani dal nucleo a carica positiva. Se questo atomo si avvicina ad un altro atomo, con un elettrone allentato nel suo guscio esterno, un nuovo orbitale sarà disponibile per l'elettrone allentato. Questo nuovo orbitale dell'elettrone è legato ad entrambi i nuclei atomici e ha un livello di energia inferiore rispetto all'orbitale originale dell'elettrone. L'elettrone può saltare spontaneamente ad esso ed emettere un fotone con l'energia in eccesso. Ora abbiamo un elettrone che orbita attorno ad entrambi gli atomi, il che fa sì che l'atomo abbia una piccola carica positiva netta e l'altro atomo abbia una piccola carica negativa netta. I due atomi sono ora tenuti insieme dalla forza elettromagnetica di attrazione tra le cariche positive e negative. Questo è chiamato legame covalente. Per rompere questo legame è necessaria la stessa quantità di energia che è stata rilasciata quando si è formato.
Una molecola d'acqua è composta da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno tenuti insieme da un legame covalente. In questo caso l'atomo di ossigeno condivide un elettrone con ogni atomo di idrogeno. Ciò significa che gli atomi di ossigeno hanno una piccola carica positiva netta e l'atomo di idrogeno ha una piccola carica negativa netta. Di conseguenza, gli atomi di ossigeno e di idrogeno sono attratti l'uno dall'altro a causa della forza elettromagnetica. Per questo motivo la molecola dell'acqua è una molecola polare: la sua carica non è distribuita uniformemente.
