Molekül kavramının ilk ortaya çıkışı 17. yüzyıla kadar gitse de, kimyacılar, moleküllerin nasıl ve neden oluştuğunu 20. yüzyılın başlarına kadar anlayamamışlardır. Bu konudaki ilk büyük öneri, Gilbert Lewis’in bir kimyasal bağın, elektronların paylaşımıyla gerçekleşebileceği şeklindeki açıklaması olmuştur. Lewis, H2 deki kimyasal bağ oluşumunu şu şekilde göstermiştir.
Bu tür bir elektron eşleşmesi, iki elektronun iki atom tarafından paylaşılmasıyla oluşan kovalent bağa bir örnektir. Kovalent bileşikler sadece kovalent bağlar içeren bileşiklerdir. Kolaylık olsun diye, paylaşılan elektron çiftleri genellikle tek bir çizgi ile gösterilir. Bu nedenle hidrojen molekülündeki kovalent bağ H—H şeklinde yazılabilir. Bir kovalent bağda paylaşılan elektron çiftinin her biri, her iki atomun çekirdeği tarafından da çekilir. Bu çekim, H2 molekülündeki iki atomu bir arada tutar; ayrıca diğer moleküllerdeki kovalent bağların oluşmasını sağlar.
Çok elektronlu atomlar arasındaki kovalent bağlanma sadece değerlik elektronları kullanılarak gerçekleşir. Örneğin, F2 molekülünü göz önüne alalım. F un elektron dağılımı 1s22s22p5 şeklindedir. 1s elektronları düşük enerjilidir ve zamanlarının çoğunu çekirdeğe yakın olarak geçirirler. Bu nedenle, bağ oluşumuna katılmazlar. F yedi değerlik elektronuna (2s ve 2p elektronları) sahiptir.
Şekilde görüldüğü gibi F atomunda sadece bir tane eşleşmemiş elektron vardır. Dolayısıyla F2 molekülünün oluşumu aşağıdaki gibi gösterilebilir.
F2 oluşumuna yalnızca iki değerlik elektronunun katıldığına dikkat ediniz. Diğer bağ yapmayan elektronlar, yani kovalent bağlanmaya katılmayan değerlik elektron çiftleri, ortaklanmamış çiftler diye adlandırılırlar. Buna göre F2 molekülündeki her bir F atomu üç adet ortaklanmamış elektron çiftine sahiptir.
Kovalent bileşikleri göstermek için kullandığımız H2 ve F2 gibi yapılara Lewis yapılan denir. Lewis yapısı, kovalent bağlanmanın bir gösterimidir. Bu yapıda iki atom arasında paylaşılan elektronlar nokta çiftleri ya da çizgiler, ortaklanmamış elektronlar ise atomlar üzerinde nokta çiftleri olarak gösterilir. Lewis yapısında sadece değerlik elektronları gösterilir.
Şimdi su molekülünün Lewis yapısını ele alalım. Şekilde görüldüğü gibi oksijen atomunun Lewis simgesinde iki eşleşmemiş nokta, yani eşleşmemiş elektron vardır. Öyleyse oksijen atomu iki kovelent bağ yapmalıdır. Hidrojenin bir elektronu vardır ve yalnızca bir kovalent bağ oluşturabilir. Buna göre, suyun Lewis yapısını aşağıdaki gibi yazabiliriz:
Bu durumda O atomunun iki ortaklanmamış elektron çifti vardır. Hidrojen atomu ise var olan tek elektronunu kovalent bağ yapmak için kullandığından, ortaklanmamış elektron çiftine sahip değildir.
F2 ve H2O moleküllerinde, F ve O atomları elektronlarım paylaşarak, kararlı soy gaz elektron dağılımına ulaşmayı başarmışlardır.
Bu moleküllerin oluşumu Lewis tarafından geliştirilen oktet kuralı’nı göstermektedir. Bu kurala göre; hidrojen dışındaki atomlar sekiz değerlik elektronu ile çevrilinceye kadar bağlar oluşturma eğilimindedirler. Başka bir deyişle, bir kovalent bağ, bu bağı oluşturan her bir atomun kendi başına oktetini tamamlamaya yetecek sayıda elektronu olmadığında oluşur. Bir kovalent bağda, atomlar elektronlarını paylaşarak oktetlerini tamamlayabilirler. Hidrojen atomunun ise toplam iki elektrona ya da helyumun elektron dağılımına ulaşması gerekmektedir.
Oktet kuralı daha çok periyodik çizelgenin ikinci periyot elementleri için geçerlidir. Bu elementler, ancak toplam sekiz elektron alabilecek 2s ve 2p alt kabuklarına sahiptir. Bu elementlerin atomları, bir kovalent bağda diğer atomlarla elektronlarını paylaşarak soy gaz [Ne] elektron dağılımına ulaşabilecektir. Daha ileriki kesimlerde, oktet kuralından sapmaları inceleyecek ve kimyasal bağın özelliklerini daha iyi anlayacağız.
Atomlar farklı türde kovalent bağlar oluşturabilirler. Tekli bir bağda, iki atom bir elektron çiftiyle bir arada tutulur. Bazen iki atom iki ya da daha fazla elektron çiftini paylaşabilir. Böyle bağlara çoklu bağlar denir. Eğer iki atom, iki elektron çiftini paylaşırsa, oluşan kovalent bağa ikili bağ denir. Karbondioksit (CO2) ve etilen (C2H4) moleküllerinde ikili bağlar vardır.
Azot molekülünde (N2) olduğu gibi, iki atom üç elektron çiftini paylaşırsa bir üçlü bağ, oluşur.
Asetilen (C2H2) molekülünde iki karbon atomu arasında üçlü bağ vardır.
Etilen ve asetilendeki tüm değerlik elektronlarının bağlanmada kullanıldığına ve karbon atomları üzerinde ortaklanmamış elektron çiftlerinin kalmadığına dikkat ediniz. Aslında karbon monoksit hariç, karbon içeren kararlı moleküller, karbon atomları üzerinde ortaklanmamış elektron çiftleri içermezler.
Çoklu bağlar tekli kovalent bağlardan daha kısadır. Bir molekülde kovalent bağla bağlı iki atomun çekirdekleri arasındaki uzaklığı bağ uzunluğu denir. Karbon ve azot gibi bir atom çiftinde üçlü bağlar ikili bağlardan ve dolayısıyla ikili bağlar da tekli bağlardan daha kısadır. Daha kısa olan çoklu bağlar, tekli bağlardan daha kararlıdır.