У 1916 р були запропоновані перші гранично спрощені теорії будови молекул, в яких використовувалися електронні уявлення: теорія американського фізико-хіміка Г.Льюіса (1875-1946) і німецького вченого В.Косселя. За теорією Льюїса в утворенні хімічного зв'язку у двоатомних молекули беруть участь валентні електрони відразу двох атомів. Тому, наприклад, в молекулі водню замість валентного штриха стали малювати електронну пару, що утворить хімічний зв'язок:
Хімічний зв'язок, утворену електронної парою, називають ковалентним зв'язком. Молекулу фтористого водню зображують так:
Відмінність молекул простих речовин (H2, F2, N2, O2) від молекул складних речовин (HF, NO, H2O, NH3) полягає в тому, що перші не мають дипольного моменту, а другі - мають. Дипольний момент m визначається як добуток абсолютної величини заряду q на відстань між двома протилежними зарядами r:
Дипольний момент m двоатомних молекули можна визначити двома способами. По-перше, оскільки молекула електронейтральна, то відомий сумарний позитивний заряд молекули Z '(він дорівнює сумі зарядів ядер атомів: Z' = ZA + ZB). Знаючи меж'ядерних відстань re, можна визначити місце розташування центру тяжіння позитивного заряду молекули. Значення m молекули знаходять з експерименту. Тому можна знайти r '- відстань між центрами тяжіння позитивного і сумарного негативного заряду молекули:
По-друге, можна вважати, що при зміщенні електронної пари, що утворює хімічний зв'язок, до одного з атомів, на цьому атомі з'являється деякий надлишковий негативний заряд -q "і заряд + q" виникає у другого атома. Відстань між атомами одно re:
Тому знаючи m можна розрахувати заряд q ".
Дипольний момент молекули HF дорівнює 6.4Ч 10-30 КлЧ м, меж'ядерних відстань HF одно 0.917Ч 10-10 м. Розрахунок q "дає: q" = 0.4 елементарного заряду (тобто заряду електрона). Раз на атомі фтору з'явився надлишковий негативний заряд, значить електронна пара, що утворює хімічний зв'язок в молекулі HF, зміщена до атому фтору. Така хімічна зв'язок називається ковалентним полярної зв'язком. Молекули типу A2 дипольного моменту не мають. Утворюють ці молекули хімічні зв'язки називаються ковалентними неполярними зв'язками.
Теорія Косселя була запропонована для опису молекул, утворених активними металами (лужними і лужноземельними) і активними неметалами (галогенами, киснем, азотом). Зовнішні валентні електрони в атомів металів найбільш далеко віддалені від ядра атома і тому порівняно слабо утримуються атомом металу. У атомів хімічних елементів, розташованих в одному і тому ж ряду Періодичної системи, при переході зліва направо заряд ядра весь час зростає, а додаткові електрони розташовуються в тому ж самому електронному шарі. Це призводить до того, що зовнішня електронна оболонка стискається і електрони все більш міцно утримуються в атомі. Тому в молекулі MeX з'являється можливість слабо утримуваний зовнішній валентний електрон металу перемістити з витратою енергії, що дорівнює потенціалу іонізації, в валентну електронну оболонку атома неметалла з виділенням енергії, яка дорівнює спорідненості до електрону. В результаті утворюються два іона: Me + і X-. Електростатичне взаємодія цих іонів і є хімічним зв'язком. Такий тип зв'язку назвали іонної.
Якщо визначити дипольні моменти молекул MeX в парах, то виявиться, що заряд з атома металу не переходить повністю до атому неметалла, і хімічний зв'язок в таких молекулах краще описується як ковалентний сильно полярна зв'язок. Позитивні катіони металів Ме + і негативні аніони атомів неметалів Х- зазвичай існують в вузлах кристалічної решітки кристалів цих речовин. Але в цьому випадку кожен позитивний іон металу насамперед електростатично взаємодіє з найближчими до нього анионами неметалів, потім з катіонами металів і т.д. Тобто в іонних кристалах хімічні зв'язки делокалізованних і кожен іон в кінцевому підсумку взаємодіє з усіма іншими іонами, що входять в кристал, який і є гігантською молекулу.
Поряд з чітко визначеними характеристиками атомів, такими як заряди ядер атомів, потенціали іонізації, спорідненість до електрону, в хімії використовуються і менш певні характеристики. Однією з них є електронний торгівельний. Вона була введена в науку американським хіміком Л. Полінга. Спочатку розглянемо для елементів перших трьох періодів дані про перший потенціал іонізації і спорідненості до електрону.
Закономірності в потенціалах іонізації і спорідненість до електрону повністю пояснюються структурою валентних електронних оболонок атомів. Cродство до електрону у ізольованого атома азоту набагато менше, ніж у атомів лужних металів, хоча азот - це активний неметалл. Саме в молекулах при взаємодії з атомами інших хімічних елементів азот доводить, що він - активний неметалл. Це і намагався зробити Л. Полінга, вводячи "електронний торгівельний" як здатність атомів хімічних елементів зміщувати до себе електронну пару при утворенні ковалентних полярних зв'язків. Шкала електронегативності для хімічних елементів була запропонована Л. Полінга. Найбільшу електротріцательность в умовних безрозмірних одиницях він приписав фтору - 4,0 кисню - 3.5, хлору і азоту - 3.0, брому - 2.8. Характер зміни електронегативності у атомів повністю відповідають тим закономірностям, які виражені в Періодичній системі. Тому застосування поняття "електронний торгівельний" просто переводить на іншу мову ті закономірності в зміні властивостей металів і неметалів, які вже відображені в Періодичній системі.
Багато метали в твердому стані є майже ідеально утворені кристали. У вузлах кристалічної решітки в кристалі розташовані атоми або позитивні іони металів. Електрони тих атомів металів, з яких утворилися позитивні іони, у вигляді електронного газу знаходяться в просторі між вузлами кристалічної решітки і належать всім атомам і іонам. Саме вони визначають характерний металевий блиск, високу електропровідність і теплопровідність металів. Тип хімічного зв'язку, яку здійснюють усуспільнені електрони в кристалі металу, називаетсяметалліческой зв'язком.
У 1819 р французькі вчені П.Дюлонг і А.Пті експериментально встановили, що мольна теплоємність майже всіх металів в кристалічному стані дорівнює 25 Дж / моль. Зараз ми легко можемо пояснити, чому це так. Атоми металів у вузлах кристалічної решітки весь час знаходяться в русі - здійснюють коливальні рухи. Це складний рух можна розкласти на три простих коливальних руху в трьох взаємно перпендикулярних площинах. Кожному коливального руху відповідає своя енергія і свій закон її зміни з ростом температури - своя теплоємність. Граничне значення теплоємності для будь-якого коливального руху атомів дорівнює R - Універсальної газової постійної. Трьох незалежних коливальних рухів атомів в кристалі буде відповідати теплоємність, рівна 3R. При нагріванні металів, починаючи з дуже низьких температур, їх теплоємність зростає від нульового значення. При кімнатній і більш високій температурі значення теплоємності більшості металів виходить на своє максимальне значення - 3R.
При нагріванні кристалічна решітка металів руйнується і вони переходять в розплавлений стан. При подальшому нагріванні метали випаровуються. У парах багато метали існують у вигляді молекул Me2. У цих молекулах атоми металу здатні утворювати ковалентні неполярні зв'язку.