In der Chemie ist bivalent ein älterer Begriff für zweiwertig, was ein Atom oder Ion mit der Wertigkeit zwei bedeutet. Die Wertigkeit bezieht sich auf die Anzahl kovalenter Bindungen, die das Atom oder Ion mit anderen Atomen eingehen kann. Kovalente Bindungen werden durch die gemeinsame Nutzung von Elektronen in der äußersten Valenzschale oder Umlaufbahn eines Atoms gebildet, so dass ein zweiwertiges Atom oder Ion per Definition zwei Valenzelektronen hat, mit denen Bindungen gebildet werden können. Zweiwertige Anionen und Kationen – Ionen mit negativer bzw. positiver Ladung – sind in vielen biologischen Systemen, einschließlich des menschlichen Stoffwechsels, wichtig.
Elektronen kann man sich vorstellen, als würden sie den Kern eines Atoms in einer Reihe von Schalen umkreisen, von denen jede nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen kann, bevor sie gefüllt ist. Die näher am Kern liegenden Schalen werden zuerst gefüllt. Wenn Atome miteinander reagieren, haben sie die Tendenz, sich so zu verbinden, dass sie ihre äußerste oder Valenzhülle aus Elektronen füllen. In fast allen Fällen besteht eine vollständige Valenzschale aus acht Elektronen – die gleiche Valenzkonfiguration wie bei Elementen der Edelgasfamilie, der letzten vertikalen Spalte des Periodensystems der Elemente. Die Tendenz von Atomen, Elektronen von anderen Atomen zu gewinnen oder zu verlieren, um dieses stabile Valenzoktett zu erreichen, wird als Oktettregel bezeichnet.
Bivalente Elemente haben zwei Valenzelektronen, so dass der einfachste Weg für sie, eine vollständige Oktett-Valenzschale zu erreichen, darin besteht, diese beiden äußeren Elektronen zu verlieren und stattdessen die darunter liegende Schale gefüllt zu lassen. Wenn beispielsweise Magnesium, das zwei Valenzelektronen hat, sich mit Sauerstoff verbindet, das sechs Valenzelektronen hat, gewinnt das Sauerstoffatom die beiden Elektronen von Magnesium, um sein Oktett zu füllen. Dabei entsteht die Verbindung MgO, Magnesiumoxid.
Im Periodensystem werden chemische Elemente mit derselben Valenzelektronenkonfiguration in derselben Gruppe oder vertikalen Spalte angezeigt. Die Mitglieder jeder Gruppe neigen aufgrund ihrer gemeinsamen Anzahl von Valenzelektronen zu einer ähnlichen chemischen Reaktion. Elemente mit zwei Valenzelektronen finden sich in Gruppe 2 und umfassen Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium. Auch einige Übergangsmetalle wie Eisen und Mangan können in dieser Form vorliegen.
Auch in der Chemie sind zweiwertige Ionen oft wichtig. Wenn ein Atom seine beiden Valenzelektronen verliert, aber nicht kovalent bindet, wird es ein positiv geladenes Ion oder Kation. In ähnlicher Weise wird ein Atom, das Elektronen aus seinem neutralen Zustand aufnimmt, als Anion bezeichnet. Zum Beispiel hat Sulfid, ein zweiwertiges Anion, eine negative Ladung von zwei – es hat zwei Elektronen mehr als Protonen. Magnesium und Calcium, die üblicherweise zweiwertige Kationen bilden, haben jeweils eine positive Ladung von zwei.
Calcium- und Magnesiumkationen finden sich häufig in hartem Wasser, Wasser mit einem hohen Mineralgehalt. Sie spielen auch eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen. Calcium-Kationen zum Beispiel binden in Zellen an Proteine und fungieren als Botenstoffe bei der Signalübertragung, stimulieren also Ereignisse innerhalb der Zelle. Sie sind auch als struktureller Bestandteil pflanzlicher Zellwände und bei der Aktivierung der Muskelkontraktion bei Tieren von entscheidender Bedeutung.