化学键 （ chemical bond ）是纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子（或离子）间强烈的相互作用力的统称， 其导致形成相对稳定的分子和晶体。广义地说，化学键是将原子结合成物质世界的作用力 。
化学键的主要理论基础建立在路易斯经典价键理论以及现代 分子轨道理论 和价键理论之上，由量子力学对氢分子的研究发展而来 。化学键大致分为共价键、离子键和 金属键 三大类。原子之间通过共用电子形成的化学键叫做共价键；离子键是通过原子间电子转移，形成正 阴离子 ，由 静电 作用形成的；自由电子与金属离子之间的静电吸引力组合成金属键 。化学键不同类型之间其实没有明显的区分，三大类型只是化学键的三种典型情况 。
化学键的发展历程主要分为三个阶段。自从1704年牛顿（Isaac Newton）提出原子键合理论，化学键的概念随着人们对化合物结构在原子层面的了解开始萌芽 ；到1916年， 吉尔伯特·路易士 （G.N. Lewis）提出了经典的原子之间共用电子对形成 共价键 的概念，科塞尔（W. Kossel）提出了离子键的概念，化学键理论进入经典价键理论阶段 ；近代价键理论的发展主要在1927到1972年， 奥格·玻尔 （Øyvind Burrau）、 瓦尔特·海特勒 （W. Heitler）和伦敦（F. London）等人将化学键运用量子力学的方法描述，并由之后的古尔森（C.A.Goulson）和费舍（I.Fischer）等人继续发展 。
发展历程
1704年， 艾萨克·牛顿 （Isaac Newton）提出了 原子键合理论 。1819年，贝泽利乌斯（Jöns Jakob Berzelius）发展了 化学 结合理论，强调结合 原子 的 电负性 和正电性特征 。1852年， 弗兰克兰 （E. Frankland）等人提出了价键的概念，指明每个元素在形成化合物时，总是和一定数量的其他元素相结合，并写出了最初的分子 结构式 ；1874年， 范霍夫 （J.H. van't Hoff)等人提出了 碳原子 的四个价键朝着 正四面体 顶点取向的光辉假设，从而建立了古典有机 立体化学 的公认形式。建立了古典的 结构化学 中的 价键理论 。
1916年， 吉尔伯特·牛顿·路易士 （G.N. Lewis）发表的论文奠定了现代价键理 电子 理论的基础，也提出了所谓 原子 间电子共享形成 共价键 的概念。随后 郎格谬尔 （I. Langmuir）等人对该理论进行了发展，形成了经典的价键理论 。同年， 德国 化学家 科塞尔 （W. Kossel）根据大多数化合物具有稀有气体稳定结构的事实，提出了 离子键 的概念 。
近代价键理论是在 量子力学 处理氢分子的基础上发展起来的。1927 年， 丹麦 物理学家 尼尔斯·玻尔 （Øyvind Burrau）首次对氢分子离子 中的一个 电子 产生的 化学键 运用量子力学进行了数学上完整的描述 。同年，德国化学家 （W. Heitler）和 伦敦 （F. London ）首先把量子力学应用到 分子结构 中，对 分子结构进行处理，获得了成功。后来 沃尔夫冈·泡利 （W.E. Pauli）等人又加以发展，泡利撰写了名著《The Nature of Chemical Bond》，建立了近代价键理论 。1932年， 马利肯，R.S. （R.S.Mulliken）和 洪特 （F.Hund）提出 分子轨道理论 。
1949年，古尔森（C.A.Goulson）和费舍（I.Fischer）提出了将双 电子 描述为两个轨道之间的形式共价单线态 耦合 ，1972年后 戈达德 （W.A.Goddard）将其发展为广义 价键理论 ，并由杰拉特（J.Gerratt）及其同事在1980年后发展为 自旋耦合方法 。价键理论进一步发展 。
相关理论
路易斯（Lewis）理论
吉尔伯特·路易士 指出，同种元素的 原子 之间及 电负性 相近的不同元素的原子之间可以通过共用电子对形成分子，使分子中的每一原子具有稳定的稀有气体电子结构。这样的分子称为共价分子。通过共用 电子对 形成的 化学键 称为 共价键 。
近代价键理论
价键理论 （Modern Valence Bond Theory，简称VB理论）建立于 量子力学 的基础之上。可以表述为：若原子a的 外层 原子轨道 中有一未成对 电子 ，原子b的外层原子轨道 也有一个未成对电子，当a、b两原子接近时，两电子就以 自旋 方向反平行 配对 而形成化学键。描述这两个电子运动状态的 波函数 是： 。其中 和 表示电子的两种不同的自旋状态 。
根据 价键理论 ，电子配对成键时，形成的 共价键 只局限于两个相邻 原子 之间的小区域，没有考虑整个分子的情况。例如，对于氧原子，价键理论认为 电子 配对 成键，没有成单电子，呈 反磁性 ，但是实验结果表明，氧是 顺磁性 的 。
分子轨道理论
分子轨道理论（Molecular orbital theory，简称MO理论）中，分子中的每个电子都是在由各个 原子核 和其余电子组成的平均势场中运动，分子轨道近似地用 能级 相近的 原子轨道 线性组合 得到，两原子轨道的线性组合满足 泡利不相容原理 和 洪特规则 ，电子排布在线性组合后的分子轨道上，形成 化学键 。
形成新的 分子轨道 后，轨道的数目不变，与原子轨道数目相同。例如，两个1s轨道可以通过线性组合形成一个能量低的成键分子轨道 和一个能量高的反键分子轨道 。
该理论采用 玻恩－奥本海默近似 ，将描述分子中所有 电子 作为一个整体的运动状态的 波函数 简化为描述单个电子运动状态的波函数的乘积 ，使问题得到简化 。 分子轨道理论 从分子整体出发，考虑电子在分子内部的运动状态，能够更广泛地解释共价分子的形成和性质 。
广义价键理论
广义价键理论 （Generalized valence bond，简称GVB理论）对VB理论和MO理论进行了整合和补充，引入了P-P近似和强 正交 约束， 价电子 由单轨道的单一构型来描述，并允许各种 自旋 耦合 结构混合。多 原子 中的每个键都被视为一对单线态耦合轨道。该方法在VB理论和MO理论之间构建了桥梁，均匀了两种理论中“共价项”和“离子项”的成分 。
主要类型
通常将 化学键 分为三大类，分别为 共价键 、 离子键 、 金属键 。三种键型的特征列于下表中。
共价键
定义
经典共价键理论（即 吉尔伯特·路易士 理论）对共价键的定义是原子之间通过共用电子对，使分子中的每个原子具有稳定的稀有气体电子结构，这样形成的分子成为共价分子，形成的化学键称为 共价键 （covalent bond） 。
例如，在 中，通过共用一对 电子 ，每个 原子 与 原子分别实现了 和 的电子构型，形成了一个 共价键 。以路易斯结构式表示为： 。
近代共价键理论中，能量相近且对称性相同的 原子轨道 相互接近时轨道 重叠 ， 波函数 叠加。两电子以 自旋 相反的方式结成 电子对 ，使体系的能量降低而成键，即为共价键 。从共价键的形成来看， 共价键 的本质是电性的相互作用 。
共价键 有两个显著的特点，一个是共价键的饱和性，一个 原子 能够提供的未成对电子数是一定的，所以共价分子中每个原子成键的总数也是一定的；第二个是共价键的方向性。形成 共价键 时，各原子轨道总是尽可能沿着 电子 出现几率最大的方向重叠成键，以获得最大的 键能 。
分类
如下表所示，共价键按不同的标准分为不同的类别。
单双键
根据 共用电子对 数目， 共价键 分为 单键 、双键、三键。可以用路易斯结构式表示为 、 。
极性键与非极性键
两个 原子 成键时，由于原子的 电负性 的差异， 电子云 会偏向电负性高的原子的一方，使电荷分布不均匀，就会形成极性的 共价键 ，成为 极性键 。如果两原子的电负性相同，电子云并不偏移，则形成 非极性键 。
例如， 分子中的 键属于极性键。 中 键、 中 键， 中的 键属于非极性键 。
两原子间的 极性 强度以 偶极矩 表示。要判断极性，需要比较形成形成 化学键 的两 原子 的 电负性 。一般来说， 相对原子质量 越大、在 元素周期表 中越靠近右上方，元素的电负性就越大，比较容易形成负偶极 。电负性高的原子是负偶极，记作δ - ；电负性低的原子是正偶极，记作δ + 。两原子 电子云 中心的距离称为键偶极矩。两原子的电负性差异越大，偶极矩越大，分子的极性就越大 。
极性化合物的概念与极性键并不重合。有极性键构成的化合物，不一定是极性化合物，例如 ，它就是有极性键的非极性分子 。
σ键、π键和δ键
在 杂化轨道 中， 波函数 根据 量子数 的不同，杂化成s、p、d轨道等不同的电子云形状，根据电子云的形状，不同的轨道有不同的 重叠 方式。根据 原子轨道 重叠方式的不同， 共价键 分为σ键、π键和δ键 。
配位键
共价键有一种特殊的情况。在 配位化合物 中，中心 原子 M通常为 过渡金属元素 的原子，具有空的价轨道，而配位体L上则有一对或一对以上的孤对 电子 ，两者结合形成 共价键 时，一方完全接受电子，一方提供电子，这种特殊的共价键就是 配位键 。
例如，经典的 螯合物 ，就是一种配位化合物。如下图，中心离子 与周围配位体 乙二胺四乙酸 形成的化学键就是配位键 。
离子键
带相反电荷离子之间的互相作用叫做离子键（Ionic bonding），成键的本质是阴阳离子间的 静电作用 。成键的两个 原子 间的电负性差较大，一般认为电负性差 时，将发生 电子转移 ，形成离子键 。形成离子键时，正 阴离子 在 静电 引力 作用下形成 离子化合物 ，根据得失 电子 的数目，可以确定离子化合物中元素的 化学 价。例如， 和 以 离子键 结合成氯化钠。电子从电负性较大的氯转移到电负性较小的钠，形成离子化合物。之后氯会以-1价的方式存在，而钠则以+1价的方式存在 。
离子键亦有强弱之分。两个 原子 电负性的差值越大，离子键越强。通常用 晶格能 的大小衡量 。
离子键没有饱和性，一个离子可以同时与多个带相反电荷的离子互相吸引成键；由于静电引力没有方向性，阴阳离子之间的作用可在任何方向上，离子键没有方向性。但是由于空间因素，所以每个离子周围排列的相反电荷的离子数目有限 。
金属键
金属键 （Metallic bonding）由自由 电子 及排列成晶格状的金属离子之间的 静电 吸引力组合而成。金属键无方向性和饱和性，也没有固定的 键能 。
金属键的改性共价键理论
金属原子的最 外层 价电子 容易脱离 原子核 的束缚，在由各个 正离子 形成的势场中比较自由地运动。这些在 三维空间 中运动、离域范围很大的电子，与正离子胶合在一起，形成 金属晶体 。金属中的这种结合力称为 金属键 。该理论使用 自由电子模型 ，称为 改性共价键理论 ，是现代价键理论在金属 晶体 中的应用 。
这种模型可以解释金属晶体的一些通性，包括导电性、 延展性 以及金属光泽等 。但是，改性 共价键 理论的金属自由 电子 模型过于简单化，不能解释金属晶体之间的结合力，也不能解释金属晶体为什么有 导体 、 绝缘体 和 半导体 之分 。
金属键的能带理论
金属 能带理论 将金属晶体看作一个巨大的分子，采用 分子轨道理论 的方法描述其运动状态。金属原子的N个 原子轨道 进行 线性组合 ，形成N个分子轨道，一般分为成键分子轨道和反键分子轨道，同一类型分子轨道之间的能量差较小，电子越迁所需的能量较小，形成能带。 成键轨道 和 反键轨道 之间能量差较大，电子难以通过，形成禁带 。该理论可以解释金属的 物理性质 ，能较好地理解 导体 、半导体和绝缘体 。
特殊情况
实际上 化学键 的分类法并不严格。尽管三种类型各有其明确的属性，但是从一种极限类型出发，却可以向另一种过渡 。
讨论含有 单键 的 双原子分子 的情况，当分子的结构参数取一些中间数值时，其 分子结构 可用 波函数 表示，系数a、b的比值b/a可以由零到无限大，分子的键型就可以在 共价键 到 离子键 间连续过渡 。
例如 分子，可以表示为 或 。其键型可以说在极端的 共价键 和极端的 离子键 之间 共振 ，即可以说该键是有着部分离子性的共价键 。
也有不连续过渡的情况，如果两个结构满足共振的条件，且含有相同数目的未 配对 电子数，则可能会出现这种情况 。
含过渡族元素的 配位化合物 中较容易出现这种现象。例如 ，其键型可以在含有一个未配对 电子对 和含有五个未配对电子对之间过渡。有一个未配对 电子 时，其键型属于共价型，另一种属于离子型 。
书写规则
路易斯 提出了表示共价分子的方法，这些方法画出来的结构式统称为 ，分为点式、点线式、线式。两个 原子 之间的电子对，称为共享电子对，一个原子上的电子对，称为孤对电子对 。