Объединение атомов в молекулы вещества, находящегося в га­зообразном, жидком или твердом состоянии, а также объединение атомов или ионов в твердое тело с атомным, металлическим или ионным строением происходит под действием химической связи. Объединение молекул в вещества, находящиеся в газообразном, жидком или твердом состоянии, осуществляется под действием межмолекулярных связей, часто называемых силами Ван-дер-Ваальса. Природа химической и межмолекулярной связей единая – электрическая. Различают несколько типов химической связи, наи­более важными из которых являются ковалентная и ионная.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования од­ной общей пары (или нескольких пар) электронов, которые ранее принад­лежали отдельным атомам. При образовании од­ной общей пары электронов от каждого объединяемого атома вносится по одному валентному электрону. Например, у молекулы хлора одна пара валент­ных электронов образует ковалентную связь, у молекулы азота – три пары.

Следовательно, ковалентная связь может быть одинарной, на­пример у Сl₂, и кратной (двойной, тройной), например у N₂. Электроны при движении по орбитам чаще находятся между яд­рами, где создается как бы избыток отрицательного заряда, что спо­собствует сближению атомов.

Если молекула состоит из атомов одного и того же химического элемента (С1₃, N₂, Н₂ и т.п.), то электронная пара (одна или несколь­ко) в одинаковой степени принадлежит этим атомам. В этом случае ковалентная связь является неполярной или нейтральной, и образуе­мые молекулы тоже являются неполярными. Диэлектрический материал, образованный неполяр­ными молекулами, является неполярным.

Если молекула состоит из атомов различных химических элемен­тов, то электронная пара будет смещена в сторону атома с большей электроотрицательностью (ЭО). У химических элементов, расположенных в одном периоде таб­лицы Д.И. Менделеева, ЭО возрастает слева направо, а у элементов, расположенных в одной группе, ЭО сильнее выражена у стоящих выше.

В результате смещения электронной пары в сторону атома с большей ЭО произойдет поляризация молекулы. При этом центры положительных и отрицательных зарядов сместятся на некоторое расстояние друг от друга, ковалентная связь станет полярной. По­лярной или дипольной станет сама молекула.

Материалы, состоящие из дипольных молекул, яв­ляются полярными. Например, молекула воды полярная, так как электронные пары между атомом кислорода и двумя атомами водо­рода смещены в сторону атома кислорода, так как он обладает большей электроотрицательностью. При наличии полярных ковалентных связей могут образовы­ваться и неполярные молекулы, если дипольные моменты уравновешивают друг друга. Например, полиэтилен – неполярный материал, хотя наряду с не­полярными ковалентными связями (ме­жду углеродными атомами) он содержит и полярные – между атомами углерода и водорода. Однако диполь­ные моменты последних уравновешива­ют друг друга.

Строение молекул, аналогичное строению молекул полиэтилена, имеют нефтяные электроизоляционные масла, парафин и многие другие алифатиче­ские углеводороды.

Прочность ковалентной связи зависит от степени перекрытия орбит валентных электронов (с увеличением перекрытия прочность связи повышается). Поэтому свойства тел с ковалентным типом связи могут сильно различаться. Характерными свойствами для тел с такой связью являются малая плотность, высокая хрупкость, в ряде случаев очень высокая твердость (алмаз, карбиды, нитриды).

Материалы с ковалентным типом связи находят широкое применение. На базе их создаются полупроводниковые материалы, соединения (карбиды, нитриды), которые являются важнейшими упрочняющими фазами в высокопрочных металлических сплавах. Ковалентный тип связи является весьма важным в полимерных материалах.

Ионная связь возникает между атомами, имеющими очень боль­шую разность ЭО. В этом случае электронная пара настолько смеща­ется в сторону атома с большей ЭО, что он фактически становится заряженным отрицательным зарядом, в то время как атом с меньшей ЭО – положительным зарядом. Таким образом, ионная связь обра­зуется в результате перехода электрона от одного атома к другому – с большей ЭО, при этом возникают разноименно заряженные ионы, вызывающие силы электростатического притяжения.

Граница между полярной ковалентной связью и ионной – чисто условная. Принципиального различия в механизме образования ковалентной полярной и ионной связей нет, так как природа химической связи единая – электрическая. Эти виды связи в чистом виде не встречаются; они отличаются лишь сте­пенью полярности и, следовательно, величиной дипольного момента образовавшихся молекул. Связь между атомами различных элемен­тов чаще всего ионно-ковалентная. Наиболее яркими представителя­ми соединений с ионной связью являются галогениды щелочных ме­таллов, хотя и у них химическая связь не полностью ионная (максимум на 93—94 %). Кристаллы с ионной связью хрупки.