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电负性相差较大的元素原子间可以通过电子转移形成离子键。电负性相差较小或相同的原子以共用电子对的形式形成共价键。
路易斯认为同种元素的原子以及电负性相近的原子间可以通过共用（share）电子对形成分子。原子通过共用电子对形成的化学键称为共价键。
路易斯用小黑点表示出分子中原子周围的价层电子，并结合稀有气体八电子稳定结构，即八隅体（octet rule）的事实，确定了一些分子或离子的结构式，称为路易斯结构式（Lewis structures）。用一条短线代表一对成键电子。C1 2 、0 2 、N 2 和H 2 0分子的路易斯结构如下：
分子中用于形成共价键的电子对称为成键电子对（bonding pairs），未用于形成共价键的电子对称为孤对电子（lone pairs, nonbonding pairs or unshared pairs）。
书写路易斯结构规则：
第一步：计算分子或离子中所有的价电子数。也就是把分子中所有原子的价电子加和再加上分子所带的电荷。
第二步：书写分子的骨架结构。这一步是书写分子结构式的关键，我们可以从分子式中推断出结构式的骨架。
第三步：骨架结构中每两个电子组成一个共价键。所以要书写的电子一共分成两类，一类是成键电子，另一类是孤对电子。用所有的价电子数减去2倍的共价键数就等于孤对电子数。
第四步：将孤对电子分配到每个原子上，使所有原子都达到电子饱和（一般为外层达到8电子）。
大多数化合物的价层电子数符合八隅体规则（octet rule），分子的中心原子价层电子总数为8，但是还有许多例外，BF 3 分子中，B的价层只有6个电子；而PCl 5 ，SF 6 分子中，中心原子P、S分别有10个和12个价层电子，是因为P和S的原子体积较大，周围可容纳较多的原子与它形成共价键有关。
原子组成分子时中心原子周围可以不是8电子，但只要保证分子中所有原子的电子均成对即可。也有分子的中心原子周围存在未成对单电子的特例，比如NO 2 气体分子，路易斯结构式如下：
NO 2 气体分子中心N原子最外层5个电子与两个氧成键组成分子后余出一个单电子，但正是由于原子组成分子时倾向于所有电子配对，这使得NO 2 气体分子并不能稳定存在，而是倾向于两分子NO 2 结合成N 2 O 4 。
2NO
2
N
2
O
4
考试中可以将键级简单理解为两原子间共价键的个数。
单键（single）、双键（double）及三键（triple）的组成与性质
*上表中给出的是分子中两个C原子成键的键级，同时两个碳原子分别与氢原子形成C-H单键，键级均为1。
（4）形式电荷（Formal charge， FC ）
形式电荷是指原子组成分子或原子团后各个原子所带的电荷数。形式电荷数可用下列公式计算：
其中 V 表示该原子的价层电子数， N 表示该原子周围中未成键电子数， B 为该原子周围化学键上电子的总数。
AP考试中所涉及的大部中性分子中的各个原子形式电荷均为0：
例如，H 2 O分子中：
O原子最外层6个电子其中4个电子两两配对以孤对电子形式存在，另外两个电子分别与氢原子共用成键。O原子形式电荷为：6–4–2=0，H原子最外层只有一个电子与氧原子共用成键并且没有孤对电子，H原子形式电荷为：1–0–1=0。
带电荷的原子团（离子）中一定有形式电荷不为零的原子存在：例如NH 4 +带一个正电荷：N原子形式电荷为：5–0–4=+1。又如H 3 O + 带一个正电荷：O原子形式电荷为：6–2–3=+1。NH 4 + 与H 3 O + 由于其组成原子形式电荷不为零，其中均具有配位共价键（coordinate covalent bonds），配位共价键的共用电子对由其中一个原子独自供应，另一个原子提供空轨道，可以用箭头表示也可以写成普通的单键。
部分不带电荷的中性分子也存在内部某些原子形式电荷不为零的情况，例如CO的结构如下：C原子形式电荷为：4–2–3=–1；O原子形式电荷为：6–2–3=+1。碳氧三键上，三对成键电子中有一对成键电子完全由O原子提供，相当于成键过程中O原子借给C原子一个电子。
又如SO 2 的结构如下：S原子形式电荷为：6–2–3=+1；硫氧单键一侧O原子形式电荷为：6–6–1=–1；硫氧双键一侧O原子形式电荷为：6–4–2=0。
硫氧单键一侧单键上的一对成键电子完全由硫原子提供，相当于成键过程中S原子借给O原子一个电子。硫氧单键一侧的一对成键电子均由S原子提供给O原子的空轨道构成配位键，配位键可以用箭头表示也可以用单键表示（配位键已超出AP考试要求，AP考试中可将其当作单键看待）。
臭氧O 3 与SO 2 的结构类似，只是把中心原子由S换成了O。如下图所示，O 3 的中心O原子形式电荷为：6–2–3=+1；氧单键一侧O原子形式电荷为：6–6–1=–1。
（5）共振现象（Resonance）
当一种分子可以写出两种或更多种的路易斯结构时，出现共振现象，共振现象表现为双键在多原子分子中的移动，例如亚硝酸根离子NO 2 - 的结构：
NO 2 - 的双键并不是固定在特定的氧原子与氮原子之间，N=O双键可以从分子左侧转移到右侧，其结果是N=O双键与N-O单键快速互变，最终每一侧的键级既不是1也不是2，键级均化为1.5，即两个氮氧键均介于单键与双键之间。
这种双键单键的互变移动叫做共振现象。同样，SO 2 与碳酸根离子CO 3 2-也存在这种共振现象。
SO 2 中两个氧硫键也均介于单键与双键之间，此硫氧键的键级为1.5。
CO 3 2- 中存在三个σ键再加一个π键，由于共振，它们平均分给三个碳氧键，平均每个碳氧键的键级为4/3。
两个相同的原子形成共价键时，由于电子不偏向任何一方，这种共价键叫做非极性共价键（non-polar covalent bond），比如氢气中，两氢原子之间的化学键就是非极性共价键，是非极性分子。AP考试中可以将电负性相似的碳和氢形成的共价键看成是非极性共价键，所以由C和H两种元素组成的分子均为非极性分子。
极性共价键（polar covalent bond）是指原子间电负性不相同的元素形成共价键时，电子会偏向电负性较大的一方，导致正负电荷中心不重合，产生了偶极（dipole），偶极的大小用偶极矩表示。
共价键的偶极矩（dipolemoment）是衡量共价键的极性大小的物理量，表示为：
μ = δ d
其中， μ 为共价键的偶极矩；
δ 为与正负电荷中心所带电荷（电量）；
d 为分子中正负电荷中心的距离；
偶极矩是矢量，方向指向电负性大的原子一侧，偶极矩单位是 德拜 （D, Debye）或 库仑·米 （C‧m），1D=3.3336×10 -30 C‧m。
*AP考试中可以理解为共价键的极性越大， 偶极矩 越大。
例如，HCl分子中，H-Cl键就是极性共价键，电子偏向氯原子一侧，分子偶极矩不为零，HCl分子为极性分子。
CO 2 结构中，虽然两个碳氧双键均为极性键，偶极矩不为0，但由于CO 2 的结构是直线型的对称分子，两个碳氧双键偶极矩矢量和为0，使得CO 2 分子整体为非极性分子。
同样，CF 4 和SF 6 等具有极性共价键的对称分子均为 非极性分子 。
分子或离子的几何构型主要取决于与中心原子相关的电子对之间的排斥作用。该电子对既可以是成键的，也可以是孤对电子。只有中心原子的价层电子才能够对分子的形状产生有意义的影响。
分子中电子对间的排斥存在以下三种情况：
孤对电子间的排斥（孤-孤排斥）；
孤对电子和成键电子对之间的排斥（孤-成排斥）；
成键电子对之间的排斥（成-成排斥）；
孤对电子间的排斥＞孤对电子和成键电子对之间的排斥＞成键电子对之间的排斥。
分子会尽可能避免这些排斥来保持稳定。当排斥不能避免时，整个分子倾向于形成排斥最弱的结构（与理想形状有最小差异的方式）。
已知基态碳原子的电子排布是1s 2 2s 2 2p 2 ，只有外层两个未成对的2p电子能形成2个共价键，但实验事实指出：CH 4 分子中心C原子分别与4个H原子形成4个性质完全等同的共价键，为了说明上述事实，鲍林等人提出了原子轨道杂化理论。
该理论认为原子轨道在成键的过程中并不是一成不变的，同一原子中能量相近的不同类型的几个原子轨道，在成键过程中可重新组合成相同数目的新的原子轨道，而改变了原来原子轨道的状态，这一过程称为杂化（hybridization），形成的新轨道叫做杂化轨道，由此决定了分子的空间几何构型不同。
（1）sp 3 杂化轨道
碳的sp 3 杂化轨道的形成过程如下：碳原子2s轨道上的一个电子激发到2p轨道，1个2s轨道和3个2p轨道杂化得到4个等同的sp 3 杂化轨道。过程如下：
①基态碳原子电子排布：
②激发态碳原子电子排布：
③sp 3 杂化碳原子电子排布：
在甲烷分子（CH 4 ）中，碳原子sp 3 杂化轨道中4个未成对单电子分别与4个氢原子的1s轨道中的单电子成键。所形成的键是沿轨道的轴向方向叠加的，形成的键轴向对称，称为σ键。根据价层电子对互斥理论（VSEPR），四对电子采取相互尽可能远离的方式在空间排布，从而减少电子对间的相互排斥作用，即形成四面体结构（tetrahedral），C－H之间的键角等于109.5°。
除了碳之外，氮、氧原子也能以sp 3 杂化的形式与氢原子成键，形成氨气（NH 3 ）和水（H 2 O）。不同的是，N原子sp 3 杂化轨道中的一个轨道已占有一对成对电子，余下三个单电子只能与3个H原子成键，形成NH 3 分子。
氮原子sp 3 杂化轨道电子排布：
氮原子与氢成键之后，氮原子周围的一对孤对电子与三对成键电子同样采取相互尽可能远离的方式在空间排布，使得NH 3 的分子形状为三角锥形（trigonalpyramidal）。
氧原子sp 3 杂化轨道电子排布：
氧原子sp 3 杂化轨道中有两个轨道电子已成对，余下两个单电子只能与2个H原子成键组成H 2 O分子，呈V字型（bent）。
下图是sp 3 杂化形成的甲烷、氨气和水分子的分子模型及结构：
CH 4 为正四面体，键角是109.5°；NH 3 为三角锥形，键角是107°；H 2 O为V字型，键角是104.5 °。它们的键角依次减小，原因是根据价层电子互斥理论：孤对电子间的排斥＞孤对电子和成键电子对之间的排斥＞成键电子对之间的排斥。中心原子上孤对电子越多，对周围化学键的排斥作用就越大，化学键的键角越小。
（2）sp 2 杂化轨道
先以硼（B）的sp 2 杂化举例：B原子2s轨道上的一个电子激发到2p轨道，1个2s轨道和2个2p轨道杂化得到3个等同的sp 2 杂化轨道。剩下的一个2p轨道未参与杂化。过程如下：
碳原子除了能以sp 3 杂化方式成键外，同样能以sp 2 杂化成键。碳的sp 2 杂化轨道的形成过程如下：
碳原子2s轨道上的一个电子激发到2p轨道，1个2s轨道和2个2p轨道杂化组合得到3个等同的sp 2 杂化轨道。剩下的一个具有单电子的2p轨道未参与杂化。杂化过程如下：
①基态碳原子电子排布：
②激发态碳原子电子排布：
③sp 2 杂化碳原子电子排布：
乙烯（C 2 H 4 ）中的碳原子就是以sp 2 杂化轨道成键的。两个碳原子各以一个sp 2 杂化轨道相互重叠，形成1个C－Cσ键，其余的sp 2 杂化轨道分别与氢原子的1s轨道形成4个C－Hσ键，这样，两个碳原子与四个氢原子处于同一个平面上。两个碳原子2p轨道上的电子则在与C－Cσ垂直的方向上“肩并肩”重叠成键，形成了一个C－Cπ。
乙烯分子中的C=C双键中的两个键是不等同的，一个是由sp 2 －sp 2 形成的σ键，由于轨道重叠程度较大，所以键的强度较强；另一个是由p－p轨道“肩并肩”重叠形成的π键，由于侧面重叠，重叠程度较弱，键的强度较弱。结构如下图：
（3）sp杂化轨道
先以铍（Be）的sp杂化举例：Be原子2s轨道上的一个电子激发到2p轨道，1个2s轨道和1个2p轨道杂化得到2个等同的sp杂化轨道，剩下的两个2p轨道未参与杂化。杂化过程如下：
①基态铍原子电子排布：
②激发态铍原子电子排布：
③sp杂化铍原子电子排布：
配对共用成键，形成两个C－Cπ。
乙炔分子为HC≡CH，它的C≡C中的三个键是不等同的，由一个σ和两个π组成。
由于π键是由未杂化的p轨道“肩并肩”重叠形成，我们可以很容易判断分子中碳原子的杂化形式，如果碳上只有一个π键。那么该碳原子是sp 2 杂化（具有未杂化p轨道，才能“肩并肩”重叠形成π键），如果存在两个π键则为sp杂化（两个p轨道未杂化）。
例如，CO 2 分子中碳是sp杂化，为直线型分子，碳的两个sp杂化轨道与左右两个氧原子成键，剩余 两个 具有未配对单电子的p轨道，与两侧的氧原子在C－Oσ键基础上形成C－Oπ键，最终组成两个C=O双键。CO 2 分子结构如图：
（4）sp 3 d，sp 3 d 2 杂化轨道
这两种杂化轨道与前面几种杂化轨道的形成类似，只不过sp 3 d杂化轨道是通过一个s轨道，三个p轨道和一个d轨道杂化形成的；sp 3 d 2 杂化轨道是通过一个s轨道，三个p轨道和两个d轨道杂化形成的。
（AP考试中可以将sp 3 d写作dsp 3 ，默认两种表述等同，sp 3 d 2 也可写作d 2 sp 3 ；但实际上sp 3 d与dsp 3 杂化方式并不相同、sp 3 d 2 与d 2 sp 3 也不等同，涉及内容已超出考点要求。）
由于价层电子互斥理论，由sp 3 d杂化后成键后中心原子周围的五对电子，整体构型是三角双椎体（trigonal bipyramidal），而sp 3 d 2 成键后中心原子周围的六对电子，整体构型是正八面体（octahedral）。下图为PF 5 与SF 6 的分子结构：
中心原子具有未成键的孤对电子时，孤对电子分布在三角双椎的赤道平面上，不能占据轴向位置，如sp 3 d杂化的SF 4 、ClF 3 和XeF 2 的分子结构分别为：
这是由于中心原子的孤对电子与周围电子对成90°角时排斥力较大，应尽量减少其他电子对与孤对电子之间形成的90°的垂直角，SF 4 的孤对电子在赤道方向排布时，只与两个S－F键成90°角，在轴向排布时与三个S－F键成90°角。这使得SF 4 分子的孤对电子倾向于斥力较小的赤道方向分布。
同理，sp 3 d 2 杂化的XeF 4 分子为平面正方型（Square Planar）结构，是由于要保证Xe上的两对孤对电子距离最远（成180°角）。
在一些固体中，原子之间由共价键连接到一起，组成了网状结构。这种固体由于其原子结合紧密，具有很高的熔沸点以及非常强的硬度。
上图为金刚石的立体结构，一块金刚石就可以认为是其中所有C原子均以共价键连接的超级大分子。
金刚石是已知的自然界中最硬的固体，其主要原因就是因为它的分子是由网状共价键连接起来的碳原子组成的。同时，由于每个原子的电子都被束缚在共价键上，所以这种固体无法导电。类似的物质还有二氧化硅SiO 2 ，自然界中高纯的晶体二氧化硅就是我们说的水晶（quartz, crystal）。