【化学虚拟实验室】双原子分子的化学键（一）

19世纪的化学家们通过氢和氯结合时会释放热量，认为原子之间有一种化学结合，他们把这种结合称为共价键。但在量子化学出现之前，没有化学家能解释为什么两个原子聚在一起形成稳定的共价键。

 在量子力学中，用来描述分子成键性质的方法被称为分子轨道理论。在这个理论中，利用涉及单电子波函数的行列式来表示分子轨道。

我们探究原子结构是从单电子原子H开始的，同样，我们也从最简单的单电子分子H₂⁺开始。

电子在H₂⁺中受两个原子核的影响

通过解H₂⁺的薛定谔方程，得到两个波函数ψ₁和ψ₂，以及相应的能量E₁和E₂。

其中，ψ₁的能量比1s轨道能量低，当电子从氢原子的1s轨道进入ψ₁时，体系的能量降低，ψ₁为成键轨道。

相反，电子进入ψ₂时，H₂⁺的能量比原来的氢原子和氢离子能量高，ψ₂为反键轨道。

氢原子和氢离子的1s轨道叠加形成H₂⁺的分子轨道图形

当原子相互靠近时，它们的原子轨道互相叠加，组合成分子轨道。当电子进入成键轨道时，体系能量降低，形成稳定的分子。此时原子间形成共价键。

氢原子和氢离子的1s轨道叠加形成H₂⁺的成键轨道动态展示

从电子在分子中的分布情况，可了解共价键的成因。在之前的文章中，我们提到过电子可以看作是一团弥散在原子核周围的电子云，可由空间各点概率密度表示。我们可以用H₂⁺中各点概率密度减去原子中电子云密度，得到下图。

由图可见，成键轨道的作用实质上是将分子两端原子外侧的电子云概率抽调到2个原子核之间，增加了核间区域的电子云概率。聚集在核间的电子云，同时受到2个原子核的吸引，即核间的电子云把2个原子核结合在一起，这是H₂⁺形成的原因。

从能量角度来看，聚集在核间运动的电子，同时受到两个原子核的正电荷吸引，这也有利于电子在核间聚集。

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