在分子中原子是固定的吗？

比如一个丙烯分子，三个碳原子是固定在一个平面上的，在CH3上的氢原子位置会变换吗？对于固体状态下的分子呢？

我在这里写一些不靠谱的讨论，不算是对问题的回答。

我觉得凡是在既有理论模型下问一个涉及客观实在问题，都挺麻烦。化类学科讨论「分子」的时候经常都是用的半经典模型。例如，除了能量取值离散化之外一切经典（用个不恰当的词就是「测得准」）的N-耦合谐振子或甚至是球棍模型，才能明确什叫「固定」，什么叫「位置变换」，这也包括很多答案说的（基于分子振动模型的）「红外光谱」、「振动」以及sigma键的「转速」。这些模型在「C-C键能旋转」（以及「C=C双键不能旋转」）上是没有解释力的。你若想包括这些事实，就直接在这些模型中预设它们能或不能旋转就行了。

其实，不管用什么理论模型，去做一次根据你的理论模型来设计的验证实验，若实验结果符合理论预测，那就是科学意义上的确认了。本质上都是循环论证，用陈浩的话说就是「说白了就是凑」。

尽管在哲学层面上是如此无聊，但实践层面上还是能尽可能寻求比较好地回答。

首先要重新表述一次这个问题。题主问的丙烯的甲基氢是否会「变换位置」，可以转为问「C-C单键能不能旋转」的问题，可不失普遍性地以乙烷分子中的C-C单键为例。「旋转」就具体表现为乙烷分子取不同的构象。「能不能」具体就是指：无论「C-C键」在不同的理论模型中的具体定义是怎样的，乙烷能否在保持其C-C单键的存在下取任一构象。（用很多化学教科书的话说就是「而不发生共价键的断裂」，这也是「手性」区别所依赖的表述。）

其次，理论模型的选择和比较问题，要基于一个比较好的标杆实验。这种实验应该是能不用任一待选理论模型的预设就能诠释的。在此意义上，量热实验就很好，因为它只需承认热力学基本定律。至于热力学宏观量与任一微观模型的对应性，又只需承认统计力学的预设就可以联系上。不同的微观模型（具体定义的「键」），在用于统计力学时就只是对称性或自由度问题。因此这就变成了在一定实验条件下测量热容就能验证的问题。毕竟，实验观察不到的层面有啥都是随你说的；只有实验能观察到的层面（也就是宏观层面）才能做验证。

在上述对问题的重新设定下，要求一个理论模型对「能否旋转」具有解释力（而不是直接预设），就只相当于要求对键的对称性具有解释力即可。这时，分子轨道模型就脱颖而出了。（线性组合近似的）分子轨道模型在承认量子力学预设和对称群代数规则前提下，成键轨道的对称性是一种预测（即具有解释力），有sigma、pi、delta、phi等。其中C-C单键在此理论中是sp3杂化的sigma键，是轴对称的（即「能旋转」）。回答完毕。

嗯，我想作些补充，也许对看到这个答案的人有些实质的帮助。

那就是：其实这是一个科学史的总结。所以其实科学史上关于这个问题就是这样发展的。用量热学，可以在热力学理论下，量出「第三定律熵」（「entropy of the third law」），实际还是测量的热容。乙烷、丙烷、正丁烷……系列都有人做这样的测试，同时有人基于统计力学去预测实验结果。正是基于乙烷的碳碳单键能自由旋转的假设的理论预测与实验测量值不符，才让人接受乙烷有构象能垒，并以这种假设下的实验测量值——约12 kJ/mol——作为我们所认为的这一能垒大小。

这决定于你怎样理解分子与分子结构这两个术语。

我们受到的教育是：分子能够单独存在、保持物质的化学性质。在不同的语境中，分子的定义也会有一点差异：很多时候，构成物质的分子（如水分子）、原子（如碳原子）、离子（如氯离子）等在表现性质都是一样相似，都统称为分子。

但由于化学本身是一种统计现象，与单独的分子从本质上矛盾。但至少我们知道，分子是一种电子与原子核的集合，在一定的能标下是稳定的，理解这一现象至少有这几重理解。

分子是电子与核共同的（除掉转动和平动后的）量子束缚态，这些态是定态 Schr?dinger 方程的解：

在这种意义下，每个核的位置可以定义为平均值，，对于每个态都有确定的值，在这个意义上，对每个态来说每个核都有唯一的位置。但

考虑到不确定原理，，测量不可能得到确定的位置。

同时和都不是，我们也可以说这些核都在运动。当然这些和一般意义上的「位置变换」或者「固定」都有所区别。

Born–Oppenheimer 近似 —— 分子是势能面上的极小值。

施工中

经评论区指正，通过计算可以在数量级上求得：

乙烷内碳碳σ键的转速是每秒10^10转。

显然不是固定的。其他几位答主好像都是学化学的，我觉得这个问题没学过化学（比如我）也能答出来= =Goldstein的Classical Mechanics中有一章叫Oscillation，专门研究多自由度振动问题的解法，而这部分知识个人觉得最蛋疼的就是一个三角形的三原子分子的振动=_=势能各种近似算成狗化学键并不是一根刚体棍，化学键实质上是电磁力，因此原则上构成分子的原子是可以在一个很小的范围内运动的，这时候我们可以近似把化学键被「拉长」或「压缩」后产生净力造成的振动近似成简谐振动的线性组合，进而求出简正频率等一大坨物理量……

当然会了，红外光谱的一部分就是这么来的。