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In una molecola di idrogeno (H₂), due atomi di idrogeno sono uniti da un classico legame covalente. Ogni atomo di idrogeno contiene un singolo protone e un singolo elettrone e il suo guscio più esterno può ospitare due elettroni. Poiché gli atomi sono identici, nessuno dei due può donare il proprio elettrone all'altro; condividono invece i due elettroni, creando un legame stabile e non ionico.
Il gas idrogeno è costituito da molecole di H₂ in cui i due atomi di idrogeno condividono gli elettroni in un legame covalente. L'idrogeno forma legami covalenti anche nell'acqua (H₂O) e negli idrocarburi. Nell'acqua, gli idrogeni legati in modo covalente possono stabilire legami idrogeno intermolecolari più deboli, che conferiscono all'acqua le sue proprietà fisiche uniche.
Gli atomi di idrogeno in H₂O condividono ciascuno una coppia di elettroni con l'atomo di ossigeno, che ha sei elettroni di valenza e un guscio che può contenerne otto. Questa condivisione completa l'ottetto dell'ossigeno e crea i legami covalenti O–H che definiscono la molecola d'acqua.
Al di là dei legami covalenti, le molecole d'acqua interagiscono tramite legami idrogeno dipolo-dipolo. La polarità della molecola – negativa all’estremità dell’ossigeno e positiva all’estremità dell’idrogeno – consente all’ossigeno dell’acqua di attrarre l’idrogeno di una molecola vicina. Queste forze intermolecolari, sebbene più deboli dei legami covalenti, conferiscono all'acqua un'elevata tensione superficiale e un punto di ebollizione relativamente alto per il suo peso molecolare.
Il guscio esterno del carbonio contiene quattro elettroni di valenza e può contenerne otto. Nel metano (CH₄), il carbonio condivide un elettrone con ciascuno dei quattro idrogeni, riempiendone il guscio e formando quattro legami covalenti stabili. Questa semplice disposizione esemplifica la versatilità del carbonio, poiché può formare un'ampia varietà di molecole organiche combinandosi con altri carboni ed eteroatomi.
Quando gli atomi di carbonio formano meno di quattro legami C–H, i restanti elettroni di valenza vengono condivisi tra i carboni. Ad esempio:
L'estensione di queste catene produce idrocarburi più lunghi come il propano (C₃H₈), dove una sequenza lineare di tre atomi di carbonio è collegata da legami singoli, ciascun carbonio è legato anche al numero appropriato di idrogeni. Questo modello è alla base della vasta diversità della chimica organica.
