いわゆる共有結合の単純化された見解では、1つ以上の電子（多くの場合1対の電子）が2つの原子核の間の空間に持ち込まれます。 そこでは、負に帯電した電子は、自分の原子核だけでなく、両方の原子核の正電荷に引き寄せられる。 これは、2つの原子の正電荷を持つ原子核の間の斥力に打ち勝つもので、この強い引力によって、2つの原子核は平衡位置で振動するものの、比較的固定された平衡配置に保たれる。 つまり、共有結合は、2つ以上の原子の正の電荷を持つ原子核が、共有される負の電荷を持つ電子を同時に引き寄せる電子共有結合なのである。 極性共有結合では、1つ以上の電子が2つの原子核の間で不均等に共有されます。
イオン結合の簡略図では、結合電子は共有されず、移動します。 このタイプの結合では、原子の一番外側の原子軌道に自由な場所があり、そこに1つ以上の電子を追加することができる。 新たに加わった電子は、異なる種類の原子で経験するよりも低いエネルギー状態（高い有効核電荷により原子核に近い状態）を占める可能性がある。 その結果、一方の原子核は、もう一方の原子核よりも電子に対して強い結合力を持つことになる。 これにより、一方の原子は正味の正の電荷を帯び、他方の原子は正味の負の電荷を帯びることになる。
すべての結合は量子論で説明できますが、実際には、いくつかの簡略化したルールによって、化学者は結合の強さ、方向性、極性を予測することができます。 オクテット則や（TREPEV）価電子対反発理論などがその例です。
より高度な理論として、軌道の混成や共鳴を含む価電子結合理論や、配位子場理論を含む分子軌道理論における原子軌道の線形結合法などが存在します。 静電気は、結合の極性とそれが化学物質に及ぼす影響を説明するために使用されます。
化学結合の概念の歴史編集
化学結合の性質に関する最も古い推測は、12世紀にはすでに存在しています。 ある種の化学種が、ある種の化学的親和性によって結合していると仮定したのである。
1704年、アイザック・ニュートンは『光学』の「問31」で、原子は何らかの「力」によって結合しているという原子結合説を概説した。 具体的には、当時流行していた「原子が引っ掛けられる」「原子が静止して接着する」「運動が共謀して結合する」など、原子の結合に関するさまざまな説を調べた結果、ニュートンは、その結合力から後に推論することになる次のようなことに注目したのだ。
粒子は何らかの力によって互いに引き合っており、すぐに接触すると非常に大きく、少し離れると化学作用を行い、その効果は粒子からそう遠くないところで感じられなくなる。
1819年、ボルタの山の発明に続いて、Jöns Jakob Berzeliusは、結合原子の電気陽性と電気陰性の性質を間接的に導入して、化学結合の理論を展開しました。 19世紀半ば、エドワード・フランクランド、F・A・ケクレ、A・S・クーパー、A・M・バトロフ、ヘルマン・コルベらはラジカル説を発展させ、化合物はプラス極とマイナス極の引力で結合しているという、もともと「結合力」と呼ばれていた価電子説を提唱しました。 1916年、化学者のギルバート・N・ルイスは電子対結合の概念を開発し、2つの原子が1個と6個の電子を共有し、単電子結合、単結合、二重結合、または三重結合を形成することができる。
ルイス自身の言葉：
1個の電子が2個の異なる原子の殻の一部を形成しても、単純または独占して一方の原子と言えることはない。
同年、ワルター・コッセルもルイスと同様の理論を打ち出したが、彼のモデルは原子間の電子の完全な移動を仮定しており、イオン結合のモデルとなっていることを除けば、ルイスの理論に近い。
1927年、デンマークの物理学者Oyvind Burrauは、水素分子イオン（ジヒドロゲニル）、H2+中の電子によって生じる単純な化学結合について、初めて数学的に完全な量子記述を導き出しました。 この研究により、化学結合に対する量子的アプローチは基本的かつ定性的には正しいが、使用される数学的手法は1個以上の電子を含む分子には拡張できないことが示されたのだ。 定量的ではないものの、より実践的なアプローチとして、同年、ウォルター・ハイトラー、フリッツ・ロンドンが発表している。 このハイトラー-ロンドン法は、現在価電子結合理論と呼ばれているものの基礎となっている。 1929年、ジョン・レナード・ジョーンズは、分子軌道理論に原子軌道の線形結合法（CLOA）を導入し、基本的な量子原理からF2（フッ素）分子やO2（酸素）分子の電子構造を導き出す方法を提案した。 この分子軌道説は、共有結合を、それまで単原子内の電子に仮定されていたシュレーディンガーの量子力学の原子軌道を組み合わせてできた軌道として表したものである。 多電子原子の結合電子の方程式は、数学的（＝解析的）には完全には解けなかったが、その近似式は今でも多くの良い定性的な予測や結果を生み出している。 現代の量子化学における定量計算の多くは、分子軌道法か価電子結合法のどちらかを出発点としていますが、近年は第三のアプローチである密度汎関数法が普及しています。
1935年にH. H. JamesとA. S. Coolidgeは、量子化学において初めて密度汎関数法を利用した。 ジェームズとA.S.クーリッジが行った二水素分子の計算では、それまでの原子核からの電子の距離だけの関数を使った計算とは異なり、2つの電子の間の距離だけを明示的に足した関数を使った計算を行った。 13個のパラメータを調整することで、結合解離エネルギーについて実験結果に非常に近い結果を得ることができました。 さらに拡張し、最大54個のパラメータを使用したところ、実験と非常に良い一致が得られました。 この計算により、量子論が実験と一致することが科学界に確信された。 しかし、この近似式は価電子結合理論や分子軌道とは物理的に関係がなく、大きな分子への拡張が困難であった。
価電子結合理論Edit
1927年、価電子結合理論が発表され、基本的には、それぞれの原子軌道にある二つの価電子が、システムのエネルギー減少効果によって二つの核を一緒に保持しようと働くか機能すると、化学結合が形成されると主張した。 1939年、化学者のライナス・ポーリングは、この理論に基づいて、化学史上最も重要な著作の一つとされる「化学結合の本質について」を発表した。 この論文では、ルイスの研究、ハイトラーやロンドンの価電子結合理論（VBT）、そして彼自身の予備的研究を考慮して、共有電子結合に関する6つの規則を示したが、最初の3つはすでに一般に知られていたものである：
1. 2.結合に関与する電子のスピンが互いに逆であること。 3.一度対になった2つの電子は、それ以上結合に加わることはできない。
彼の最後の3つのルールは新しいものでした：
4.結合を形成するための電子交換の条件は、各原子の1つの波動関数だけを含んでいます。 5.最も低いエネルギー準位で利用可能な電子が最も強い結合を形成する。 6.原子の中の2つの軌道のうち、他の原子の軌道と最も多く重なることができるものがより強い結合を形成し、この結合はより集中した軌道の方向に向く傾向があります。
分子軌道の理論Edit
分子軌道理論（TOM）は、原子軌道の線形結合を利用して分子軌道を形成し、分子全体にまたがる軌道を形成するものである。 これらの軌道は、結合軌道、反結合軌道、非結合軌道に分けられることが多い。 分子軌道とは、複数の原子核を含むシュレーディンガー軌道のことで、多くの場合2つしかない。 この軌道が、電子が他のどこよりも原子核の間に存在しやすいタイプであれば、その軌道は結合軌道となり、原子核を近づけようとする傾向がある。 もし、電子が原子核の間を除いてほとんどの時間を過ごすような分子軌道に存在する傾向があれば、その軌道は反結合軌道として機能し、実際に結合を弱めることになる。 非結合軌道の電子は、どちらかの原子核とほぼ完全に関連した深い軌道（原子軌道に近い軌道）にある傾向があるので、原子核の間で等しい時間を過ごし、その空間にはいないことになる。
結合のモデル編集
原子のすべての電子は原子核の周りを回っていますが、価電子だけは原子核から遠く離れて回っています。
価電子は、ペアとなる他の原子の特性によって、さまざまな相互作用があります。 ある原子は均衡を保つために他の原子に電子を譲り、ある原子は電子を獲得し、またある原子は電子を共有することもある。 例えば、フッ化リチウム（LiF）では、原子の1つ（リチウム）が価電子を手放し、フッ素が価電子を受け取ります。 これはイオン、正電荷（Li+）と負電荷（F-）を持つ原子を形成する。
ルイス表示は、元素の記号とその周りの価電子をドットまたはスタッドで図示することによって特徴付けられる。 ルイス表現における水の記号を解釈するには、2つの水素原子がそれぞれ1つの価電子しか持たず、これはドットで表すことができる。一方、酸素原子は8つの電子を持ち、そのうち6つが価電子で、水素の価電子と区別するためにドットで表すことができる
ほとんどの原子は1対、2対、あるいは3対で電子を共有して結合している。 ドットを多く配置することを避けるため、各共有ペアを線（H-O-H）で表現しています。 同様に、ほとんどすべての原子は、水分子の酸素のように、8個の価電子を完成させるために必要な数の電子を失ったり、得たり、共有したりする傾向がある（オクテット則）。 一方、水素だけは2個を完成させるので、最大でも2個の電子しか持たず、デュオルールを形成したと言われています。
価電子結合理論と分子軌道理論の比較編集
価電子結合理論は分子軌道理論より優れている点がある。 最も単純な2電子分子であるH2に適用した場合、価電子結合理論は、最も単純なレベルのハイトラーロンドン近似であっても、結合エネルギーにより近い近似値をもたらし、化学結合の形成と切断における電子の振る舞いをより正確に表現することができる。 一方、単純な分子軌道理論では、水素分子は水素原子と正負の水素イオンの直線的な重ね合わせに分解すると予測されるが、これは物理的証拠とは全く逆の結果である。 このことは、原子間距離に対する価電子軌道法の全エネルギー曲線が、すべての距離で、特に大きな距離で、分子軌道法の曲線より上にあることを、部分的に説明している。 この状況は、すべての同核二原子分子で発生し、特にF2では、分子軌道理論による曲線の最小エネルギーが、結合していない2つのフッ素原子のエネルギーよりもさらに高いエネルギーであるという問題がある。
混成概念は汎用性があり、多くの有機化合物の結合の変動は非常に小さいため、結合理論は有機化学者の語彙の一部として不可欠なままである。 しかし、フリードリッヒ・フント、ロバート・マリケン、ゲルハルト・ヘルツベルクの研究により、分子の分光特性、磁気特性、イオン化特性をより適切に記述できるのは分子軌道の理論であることが示された。 結合理論の欠陥が明らかになったのは、ポーリングが提案した混成結合に基づく結合スキームで重要な「d」軌道を用いずに超原子価分子（PF5など）を説明した時である。 金属錯体や電子不足の化合物（ジボランなど）も、価電子結合理論で記述したほうがよいことが判明しました。
1930年代、この2つの方法は、どちらも優れた理論への近似であると理解されるまで強く競合しました。 単純な価電子結合の構造に、特定の原子軌道から生じるすべての共有結合とイオン構造を混ぜ合わせると、完全配置相互作用波動関数と呼ばれるものになる。 基底状態を記述する単一分子軌道の関数と、同じ原子軌道の集合から生じる非占有軌道を用いたすべての可能な励起状態を記述する関数を組み合わせると、完全な配置相互作用波動関数に到達することも可能である。 このことから、単一分子軌道近似ではイオン構造を重視しすぎ、単一価電子結合近似では重視しなさすぎであることがわかる。 これは、単一分子軌道近似は非局在化しすぎており、価電子結合近似は局所化しすぎていると言うことができます。
この2つのアプローチは現在、補完的なものとみなされており、それぞれが化学結合問題に対する独自の洞察を提供しています。 現代の量子化学計算では、価電子結合近似よりも分子軌道近似から始めるのが一般的である（最終的にはそれを超える）。これは、後者が本質的に優れているということではなく、分子軌道近似の方が数値計算への適応がはるかに速いからである。 しかし、現在ではより優れた価電子結合プログラムが利用できるようになりました。