Eine kovalente Bindung ist eine chemische Bindung zwischen zwei Nicht-Metallatomen. Ein Beispiel ist Wasser, wo sich Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) zu (H2O) verbinden. Eine volle äußere Schale hat in der Regel acht Elektronen, im Falle von Wasserstoff oder Helium zwei. Valenzelektronen sind die Elektronen, die vergleichsweise locker in der äußeren Schale des Atoms gehalten werden. Die Struktur der Elektronenschalen wird durch die Quantenmechanik bestimmt.)
Die Anzahl der Elektronen in einem Atom wird durch die Anzahl der Protonen im Atom bestimmt. Elektronen umkreisen Atomkerne, und sie sind wie unscharfe Orbitalbahnen um einen Atomkern. In der ersten Schicht befinden sich bis zu zwei Elektronen. Die folgenden Schichten enthalten normalerweise bis zu acht. Kovalente Bindungen entstehen dadurch, dass sich Atome Valenzelektronen teilen.
Wenn ein Atom zum Beispiel neun Elektronen hat, kreisen die ersten beiden sehr nahe am Kern, die nächsten sieben etwas weiter entfernt. Die äußeren sieben Elektronen werden weniger fest gehalten als die beiden inneren, weil sie weiter vom positiv geladenen Kern entfernt sind. Kommt dieses Atom in die Nähe eines anderen Atoms mit einem locker gehaltenen Elektron in seiner äußeren Schale, wird ein neues Orbital für das locker gehaltene Elektron verfügbar. Dieses neue Elektronenorbital ist an beide Atomkerne gebunden und hat ein niedrigeres Energieniveau als das ursprüngliche Elektronenorbital. Das Elektron kann spontan dorthin springen und ein Photon mit der überschüssigen Energie aussenden. Nun umkreist ein Elektron beide Atome, was dazu führt, dass das Atom, das das Elektron abgegeben hat, eine kleine positive Nettoladung und das andere Atom eine kleine negative Nettoladung aufweist. Die beiden Atome werden nun durch die elektromagnetische Anziehungskraft zwischen positiven und negativen Ladungen zusammengehalten. Dies nennt man eine kovalente Bindung. Um diese Bindung zu brechen, wird die gleiche Energiemenge benötigt, die bei der Bildung der Bindung freigesetzt wurde.
Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, die durch eine kovalente Bindung zusammengehalten werden. In diesem Fall teilt sich das Sauerstoffatom mit jedem Wasserstoffatom ein Elektron. Das bedeutet, dass das Sauerstoffatom eine kleine positive Nettoladung hat und das Wasserstoffatom eine kleine negative Nettoladung. Infolgedessen werden die Sauerstoff- und Wasserstoffatome aufgrund der elektromagnetischen Kraft zueinander hingezogen. Aus diesem Grund ist das Wassermolekül ein polares Molekül: seine Ladung ist nicht gleichmäßig verteilt.