Wiązanie niebiegunowe (kowalencyjne)

Teoria Kossela nie potrafi wyjaśnić istoty wiązania łączącego ze sobą dwa atomy tego samego pierwiastka. Według Lewisa i Langmuir a (1918) takie wiązanie niebiegunowe (kowalencyjne, atomowe) dochodzi do skutku przez to, że dwa elektrony, po jednym z każdego z łączących się atomów, tworzą parę (dublet), należącą równocześnie do powłok elektronów obu atomów. W ten sposób, przyjmując w cząsteczce chloru jeden taki dublet wspólny, można z 14 elektronów walencyjnych, jakie zawiera ogółem ta cząsteczka, zbudować dwa pełne oktety, jak to widać we wzorze I, w którym elektrony walencyjne zaznaczone są kropkami: ci: ci: : N ::: N : i II

W cząsteczce azotu należy przyjąć istnienie trzech takich wspólnych dubletów (wzór II). Gdy porówna się wzory I i II ze wzorami budowy wymienionych substancji, podanymi w § 81, łatwo zauważyć, że wspólny dublet elektronowy odpowiada jednemu wiązaniu we wzorze kreskowym. We współczesnych wzorach strukturowych często stosuje się nadal klęskę dla oznaczenia pojedynczego wiązania kowalencyjnego.

Atom tworzy wiązania kowalentne jedynie za pomocą elektronów niesprzężonych (§ 73). Liczba tych elektronów wyznacza więc liczbę wiązań danego atomu. W ten sposób atom fluoru tworzyć może tylko jedno takie wiązanie, atom tlenu — dwa, azotu — trzy. Dla atomu węgla, posiadającego w stanie niepobudzonym tylko dwa elektrony niesprzężone (por. rys. 40), należałoby oczekiwać dwóch wiązań, podczas gdy we wszystkich prawie związkach węgla atomy jego tworzą cztery wiązania kowalencyjne. Wynika to stąd, że przez pobranie stosunkowo niewielkiej ilości energii (przez nieznaczne „pobudzenie” atomu) jeden z elektronów s zostaje podniesiony na trzecią, wolną jeszcze orbitalę p. W ten sposób w stanie pobudzonym atom węgla posiada cztery elektrony zdolne do tworzenia wiązań kowalencyjnych. Energia wydzielona w wyniku utworzenia dwóch dodatkowych wiązań pokrywa z nawiązką energię pobudzenia.

Gdy atom tworzy dwa lub trzy wiązania kowalencyjne, powinny one w teorii tworzyć pomiędzy sobą kąty proste. Zwykle kąty są nieco większe wskutek wzajemnego odpychania się atomów jednoimiennych, jak np. w cząsteczce wody HOH (rys. 51) lub amoniaku NH3 (rys. 52). W przypadku czterech wiązań, jak u atomu węgla w najprostszym iego związku wodorowym metanie CH4, wiązania są skierowane od atomu centralnego ku czterem narożom regularnego czworościanu (rys. 53). Atomy położone w czwartym i dalszych okresach układu, mogące posiadać elektrony niesprzężone również i na podpoziomie d, mogą tworzyć jeszcze większą liczbę wiązań kowalentnych, o jeszcze innym rozmieszczeniu przestrzennym.

W odróżnieniu od wiązań jonowych, wiązania kowalencyjne danego atomu są ograniczone liczbowo i mają określony kierunek.