比如說共價鍵,要是兩個電子是共用的,由核外電子會圍繞原子核旋轉,電子是如何保持在它們之間的,而且電子所帶電荷相同不會發生排斥嗎?


回答已於May. 31st 修改,增加關於氫鍵的定義,關於次級鍵目前仍存在一定程度的爭議,請務必遵從高考大綱(如果備考的話)

首先明確一下化學鍵定義:

Chemical bonding, any of the interactions that account for the association of atoms into molecules, ions, crystals, and other stable species that make up the familiar substances of the everyday world. When atoms approach one another, their nuclei and electrons interact and tend to distribute themselves in space in such a way that the total energy is lower than it would be in any alternative arrangement. If the total energy of a group of atoms is lower than the sum of the energies of the component atoms, they then bond together and the energy lowering is the bonding energy.[1]

化學鍵,是構成原子與分子,離子,晶體和其他穩定物質之間聯繫的相互作用,並且構成了日常生活中熟悉的物質。 當原子彼此接近時,它們的原子核和電子相互作用,並傾向於以使總能量低於任何其他排列方式的方式將自身分佈在空間中。 如果一組原子的總能量低於組成原子的能量之和,則它們會結合在一起,而降低的能量就是它的鍵能。

本質上化學鍵是intramolecular force(分子內作用力)和intermolecular force(分子間作用力),intra的部分暫且不表,先說一說intermolecular force。

根據大學預科課程(Advance Placement, AP),Intermolecular force 一般指代狹義的Vander Waals Forces(範德華力)和其他的範德華力(比如dipole-dipole)。狹義的範德華力存在於非極性分子間,而dipole-dipole forces存在於極性分子間,一般來講範德華力要弱於dipole-dipole forces。

那London dispersion forces(倫敦力)呢?作為一種弱範德華力,而且是即時的,短暫的力,其強度遠遠低於範德華力。

One more thing,氫鍵是dipole-dipole force的一種,強度也要高於倫敦力。

A type of chemical bond that is formed when the slightly positive hydrogen atom of a polar covalent bond forms an electrostatic link with the more electreonegative atom of a polar covalent bond in the same or another molecule.[2]

氫鍵是一種化學鍵,當極性共價鍵的略帶正氫原子與同一分子或另一分子中極性共價鍵的帶負電性原子形成靜電連接時,便會形成。

以上。

參考

  1. ^Encyclopaedia of Britannica
  2. ^Biology Online有關氫鍵的定義 https://www.biologyonline.com/dictionary/hydrogen-bond


化學鍵的本質就是原子間的相互作用

題主的疑問很有意思,展開了說有些麻煩,這裡簡單做一下科普,不做深入說明:

根據最基礎的物理學知識,我們知道:

1.原子是由原子核(正電)和核外電子(負電)構成;

2.同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引

想像一下,真空中存在兩個原子,因為其中一個原子核對另外一個原子核外電子的吸引力,致使兩個原子不斷靠近,在靠近的過程中,兩原子間能量的變化:

兩原子會在能量最低點處通過共享電子對成鍵,兩原子間的距離就是鍵長

關於題主的疑問,以及上面碗裏放鋼珠的比喻,這裡需要糾正一下:電子的運動不遵循經典力學!電子有波粒二象性!!!

套用一下格羅斯曼教授的比喻:電子繞著原子核運動,不是你以為的行星繞著恆星式的轉動,更像是夏天的夜晚,你能聽到一隻蚊子在你耳邊飛舞,卻無法準確的找到蚊子的位置

如果採用電子在原子核周圍繞固定的軌道運行,那麼根據基本的物理學定律,我們知道運動電荷產生電磁輻射,最終的結果是電子以螺旋軌道向原子核跌落,如果這樣,也就不存在什麼電子和原子核的說法了,所以,實際上是,你只知道在原子軌道內有電子,但你永遠觀測不到這個電子的具體位置

題主所認為的化學鍵,是在電子云的重疊的部分裏,兩個小球不停的轉,擔心他們互相排斥?擔心他們分離?

事實上,將電子理解為粒子是無法解釋這一問題的,既然電子具有波粒二象性,那就從波的角度來看這個問題:

根據公式:

德布羅意波長

用波動方程來描述一下電子:

節點處振幅為0

用波動方程可以解出波函數,波函數可以找到確切的原子軌道,事實上,在原子核表面,電子是呈現波的特徵,一張很著名的圖:

這是1993年唐納德博士的成果,證明瞭電子是以波的形式運動的

現有的分子軌道論,比起電子的粒子性導致的互相排斥,更多側重於電子的波的性質,根據分子軌道論,分子軌道是原子軌道的線性組合,原子軌道成鍵是同時生成成鍵軌道(波的相長干涉,可以理解為波的合併)和反鍵軌道(波的相消干涉,可以理解為波的抵消),合併或抵消過的波纔是電子云的重疊,根本沒有什麼排斥的說法

(這方面可能有點抽象,找不到合適的圖,自行想像吧)

最後總結一下,電子是粒子,也是波,雖然教科書上從來都是把電子畫一個小黑點,但是切記電子波的性質!!!

註:具體如果想深入瞭解電子運動就去看看量子力學,如果想了解深入瞭解化學鍵的成鍵過程找本無機化學看看分子軌道論,分子雜化論。


不同的理論對化學鍵的解釋是不同的,這也說明瞭人類對成鍵這一現象的認知在不斷深入。

目前比較成熟,用得較多的是分子軌道理論,但個人覺得複雜多電子體系的密度泛函理論可能更接近於成鍵的本質。有興趣建議專門找資料來看,我按照我個人的理解簡單解釋一下。

把一個分子看做由多個電子核和電子組成的基本粒子體系,那麼體系能量的「局部最小值」位置上,各個原子核與電子的波函數分佈就可以看做是這個體系能支持的一種分子構型。那麼我們一般覺得是「化學鍵將原子固定在了特定的位置上,想要挪開就要用力破壞化學鍵」,實際上按照體系能量的解釋,應該說「想要將原子搬離特定的位置,需要給體系輸入能量,就需要用力」

就好比在一個碗裏放幾顆鋼珠,鋼珠會聚集到碗底,想要讓某個鋼珠與其他鋼珠分開,那麼就需要用力移動這個鋼珠。如果將鋼珠看做原子,幾顆鋼珠聚成一團好比分子,而傳統的成鍵理論認為,是鋼珠之間相互接觸的位置上形成了化學鍵,體系能量的觀點認為這種構型不過是因為鋼珠以這種方式聚集在碗底能量比較低。也就是說,化學鍵並不是一種實際的存在,而是一種現象的解釋。

當然這個例子並不十分恰當,實際上鋼珠之間的接觸點上確實存在一定的變化,比如相互壓迫產生形變,對應的就是成鍵原子外層電子分佈發生變化,比如向成鍵區域集中等,但基本思想是這樣的。相信隨著研究不斷深入,應該還會有更接近本質的成鍵理論提出吧。


你說的沒錯,當兩個原子互相靠近時,電子(雲)之間的斥力增加,導致電子的勢能增加。但是與此同時,電子的動能減少(原因來自量子物理),勢能增加和動能減少這兩個因素平衡的點,就可以認為是化學鍵的形成。


電子離域


我百度了一下。

化學鍵(chemical bond)是純凈物分子內或晶體內相鄰兩個或多個原子(或離子)間強烈的相互作用力的統稱。使離子相結合或原子相結合的作用力通稱為化學鍵。

離子鍵、共價鍵、金屬鍵各自有不同的成因,離子鍵是通過原子間電子轉移,形成正負離子,由靜電作用形成的。共價鍵的成因較為複雜,路易斯理論認為,共價鍵是通過原子間共用一對或多對電子形成的,其他的解釋還有價鍵理論,價層電子互斥理論,分子軌道理論和雜化軌道理論等。金屬鍵是一種改性的共價鍵,它是由多個原子共用一些自由流動的電子形成的。

中文名

化學鍵

外文名

chemical bond

包括種類

離子鍵 共價鍵

功能

使離子或原子相結合的作用力

特例

金屬鍵


Pauling之前撰寫了化學鍵的本質一書,感覺可以給你很大的幫助。大概可以看成原子在形成分子的過程中,原子的外層電子發生了重新的排布。電子在空間上的密度分佈發生了變化,化學鍵可以看成電子重新排布後,密度較大的區域。


化學鍵的本質是不同原子上的孤立電子形成電子對,導致電子能級的降低, 當新形成的電子對只圍繞其中一個原子運行時,就是離子鍵,比如氯化鈉,當新形成的電子對只圍繞兩個原子運行時,就是共價鍵,比如水,甲烷,當新形成的電子對在很多個原子運行時,就是金屬鍵,比如你們家的大鐵鍋和你手上的硬幣,


化學鍵的本質就是電磁相互作用

由於另一個原子核的靠近,電子感受到的靜電場發生了變化,其相應的運動狀態也會發生變化,電子運動狀態變化的過程就是成鍵過程

你所說的這些都是共價鍵的經典描述,實際上電子不繞核旋轉也不再原子之間。電子之間確實會排斥但是和核之間還有吸引,簡單一點可以認為是一個整體的平衡。


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