隨著物理學(xué)量子力學(xué)的發(fā)展，1927年Heitler和London用量子力學(xué)來(lái)處理H原子形成H2分子的過(guò)程，他們得到了H2分子能量(E)與兩個(gè)H原子核間距(r)的關(guān)系曲線。當(dāng)A和B相接近時(shí)(即r值減小時(shí))，H2分子體系能量降低，這是因?yàn)?/font>A原子的核外電子不僅受到A原子核的吸引力，也受到了B原子核的吸引，同理B的電子既受B原子核的吸引，也受A原子核的吸引，也可以說(shuō)是兩個(gè)原子軌道發(fā)生了重疊，兩核之間的電子云密度增大，體系能量降低。當(dāng)r=74pm時(shí)，能量為最低值，r更小時(shí)，則因兩核之間庫(kù)侖斥力增大，能量反而升高。即兩核間距離為74pm時(shí)，形成了穩(wěn)定的H2分子，這和實(shí)驗(yàn)測(cè)定值相符。若A和B的電子自旋方向平行，E-r曲線就不同了。核間距r越小，能量越高，表示兩個(gè)自旋方向相同的氫原子不能形成H2分子。總之，價(jià)鍵理論繼承了Lewis共用電子對(duì)的概念，但從量子力學(xué)的角度指出成鍵電子必須自旋相反，并且認(rèn)為共價(jià)鍵的本質(zhì)是兩個(gè)原子有自旋方向相反的未成對(duì)電子，它們的原子軌道發(fā)生了重疊，使體系能量降低而成鍵。
按照價(jià)鍵理論，共價(jià)鍵具有飽和性和方向性。各原子都有確定的不成對(duì)電子，所以它的共價(jià)鍵數(shù)是一定的。如H和Cl都是1價(jià)，O和S是2價(jià)，N是3價(jià)，C是4價(jià)等。按此推理，不同原子形成共價(jià)化合物時(shí)均有確定的原子比，如可以有HCl，H2S，NH3和CH4等共價(jià)化合物，但不可能有HCl2或H4S分子，這就是共價(jià)鍵的飽和性。另外，電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在空間分布是有一定取向的，原子軌道的重疊也是有一定取向的，如N原子核外有3個(gè)未成電子，其取向分別為px，py，pz。N2分子中的三對(duì)電子并不在同一個(gè)平面上，而是在x，y，z三個(gè)互相垂直的方向。這就是所謂的共價(jià)鍵的方向性。共價(jià)鍵的飽和性和方向性是和離子鍵相比較而言，離子化合物中正負(fù)離子都為s2p6結(jié)構(gòu)，其電荷分布呈球形對(duì)稱，所以它們可以從各個(gè)方向互相接觸，并且盡可能多地和異性離子相接觸(配位)，配位數(shù)的多少?zèng)Q定于正負(fù)離子的大小。對(duì)離子化合物而言，無(wú)所謂成鍵的方向性，而要考慮離子密堆積和空間利用率。NaCl中，Cl-既然沒(méi)有固定的配位數(shù)，也無(wú)所謂飽和性。
許多共價(jià)化合物如H2O，HCl，NH3，CH4等不論在氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)都以獨(dú)立的分子形式存在，所以在狀態(tài)變化時(shí)，不涉及化學(xué)鍵的變化，只是分子間作用力發(fā)生變化。它們和離子化合物相比，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)就低得多，在液態(tài)時(shí)也沒(méi)有帶電的微粒，所以不導(dǎo)電，這類物質(zhì)屬分子型共價(jià)化合物。也有分子型的共價(jià)單質(zhì)，如碘(I2)、磷(P4)和硫(S8)的單質(zhì)都是多原子分子，原子間有共價(jià)鍵，它們?nèi)埸c(diǎn)、沸點(diǎn)也不高。
有些共價(jià)化合物是原子型的，如優(yōu)質(zhì)磨料金剛砂，它的化學(xué)式是碳化硅(SiC)，其結(jié)構(gòu)和金剛石相似。其中一半C的位置為Si所取代，即每一個(gè)C原子以四面體向與4個(gè)Si原子相連。同樣，每個(gè)Si原子也以四面體向與4個(gè)C原子相連，形成了C和Si相間的巨分子。這類原子型共價(jià)化合物和分子型共價(jià)化合物不同，它們的熔點(diǎn)很高，硬度也很大。因?yàn)橐顾l(fā)生狀態(tài)變化，將涉及Si和C之間的共價(jià)鍵的斷裂，這是很不容易的。