Kiedy dwa atomy dzielą elektrony, aby ukończyć swoje powłoki walencyjne, tworzą wiązanie kowalencyjne. Elektroujemność atomu – siła, z jaką współdzielone elektrony są przyciągane w kierunku atomu – określa sposób, w jaki elektrony są współdzielone. Cząsteczki utworzone z wiązań kowalencyjnych mogą być polarne lub niepolarne. Atomy o podobnych elektroujemnościach tworzą niepolarne wiązania kowalencyjne; Elektrony są dzielone po równo. Atomy o różnych elektroujemnościach nierówno dzielą elektrony, tworząc wiązania biegunowe.
Liczba wiązań kowalencyjnych, które może utworzyć atom, zależy od liczby elektronów walencyjnych, które posiada. Na przykład tlen ma sześć z ośmiu możliwych elektronów walencyjnych, co oznacza, że każdy atom tlenu potrzebuje dwóch dodatkowych elektronów, aby stać się stabilnym. Tlen może tworzyć pojedyncze wiązania z dwoma innymi atomami, tak jak to ma miejsce, gdy tworzy wodę z dwoma atomami wodoru (wzór chemicznyH2O). Tlen może również tworzyć podwójne wiązanie tylko z jednym innym atomem, który również potrzebuje dwóch dodatkowych elektronów, aby zakończyć swój oktet (np. Kolejny atom tlenu). Węgiel ma cztery elektrony walencyjne i dlatego może tworzyć cztery wiązania kowalencyjne, tak jak ma to miejsce w metanie (CH4).
Kiedy powstaje wiązanie kowalencyjne, oba atomy mają wspólną parę elektronów na orbicie hybrydowym, który różni się kształtem od normalnego orbitala. Elektrony uczestniczące w wiązaniu krążą zatem po zmodyfikowanym torze wokół jąder obu atomów. Wiązania kowalencyjne są silne i po utworzeniu nie mogą zostać zerwane przez siły fizyczne.
Elektroujemność to tendencja atomu do przyciągania elektronów w wiązaniu. Najbardziej elektroujemnym atomem jest fluor. Zaczynając od fluoru w prawym górnym rogu układu okresowego pierwiastków (pomijając gazy szlachetne w skrajnej prawej kolumnie), elektroujemność atomów ma tendencję do zmniejszania się wraz z ruchem po przekątnej w lewo w dół układu okresowego, tak że atomy o najniższych elektroujemnościach znajdują się w lewym dolnym rogu (np. lub Fr). Jeśli atomy mają skrajnie różne elektroujemności, prawdopodobnie będą tworzyć jony zamiast wiązań kowalencyjnych. Jednak w przypadku atomów, które tworzą ze sobą wiązania kowalencyjne, ich wartości elektroujemności określają, czy wiązanie będzie polarne, czy niepolarne.
Wiązanie niepolarne to takie, w którym elektrony są równo dzielone i nie ma ładunku w cząsteczce. Natomiast wiązanie polarne występuje, gdy jeden atom jest bardziej elektroujemny niż inny i przyciąga elektrony do siebie. Wiązania polarne mają częściowy ładunek ujemny z jednej strony i częściowy ładunek dodatni z drugiej, co jest ważne, ponieważ powoduje, że cząsteczki polarne zachowują się inaczej niż niepolarne.
Cząsteczki polarne są hydrofilowe, ponieważ ich cząstkowe ładunki przyciągają je do innych naładowanych cząsteczek, co oznacza również, że są rozpuszczalne w wodzie. Mówi się, że cząsteczki niepolarne – zawierające długie odcinki węglowodorów, takich jak tłuszcze – są hydrofobowe. W przeciwieństwie do cząsteczek polarnych, cząsteczki niepolarne nie rozpuszczają się w wodzie. Komórki są często otoczone płynem i mają cytoplazmy zawierające wodę. Tak więc sposób, w jaki cząsteczka oddziałuje z wodą i innymi naładowanymi cząsteczkami, wpływa na to, jak jest transportowana i wykorzystywana przez komórki.
