绑定的债券

早在1916年,两位科学家独立收敛在一个重要的难题。吉尔伯特·刘易斯是美国化学家与广泛的利益是一个特立独行的人。沃尔特科塞尔是一位德国的物理学家从一个更传统的学术背景集中在一个窄波段的问题。他们解决两个基本问题——元素结合在一起形成化合物,以及为什么有些渴望结合和其他人不情愿?他们的答案不同,但显然是指向同一个方向。

一年后,美国与德国交战。科塞尔已经努力改善军事无线电设备,不久之后,刘易斯开始训练军队人员应对毒气。今天,战争已经传递到历史,但科塞尔和刘易斯的理论先驱仍然是化学的核心。

特立独行和学术出生的

刘易斯生于1875年,波士顿律师的儿子。他9岁时全家搬到内布拉斯加州。刘易斯获得学历但在家阅读广泛。经过两年大学内布拉斯加大学林肯在1893年转移到哈佛大学,1899年获得博士学位。法术后先进的研究在德国欧内斯特和威廉•奥斯特瓦尔德,他初中任教于哈佛大学。

哈佛大学的化学系是由西奥多·理查兹,规律置于细致的实验室工作,鼓励理论。刘易斯更舒适的在麻省理工学院,在那里他度过了七年生产之前迁移到加州大学伯克利分校,1912年。伯克利分校化学学院院长,刘易斯领导集体讨论初级教员和研究学生可以挑战常识而不会破坏他们的职业前景。这种环境下培养几个创新的化学家,包括诺贝尔奖得主Glenn Seaborg。

除了他的工作在化学成键,刘易斯热力学和光化学做出了重要的贡献。他的工作在解决方案产生重要的见解酸和碱的性质,同位素研究的先驱。刘易斯在1946年去世,他的实验室测量介电常数的氰化氢。他的死是意外,是否自杀或心脏病发作的后果尚不清楚。

科塞尔在学术界长大。生于1888年,他的儿子生物化学家Albrecht科塞尔,那么柏林大学的教授,后来的诺贝尔奖获得者。他的母亲是阿道夫Holtzmann的女儿,在德国文学海德堡大学的演讲。从1906年开始,科塞尔在海德堡和柏林学习物理。他在1910年成为海德堡菲利普•勒纳德的助理,完成博士学位后不久。

1913年,科塞尔搬到慕尼黑,获得资格(执照教大学水平)阿诺德·索末菲的部门作出巨大努力在理论物理。最初科塞尔专门从事x射线光谱,但他对电子的散射帮助以后的工作证实他们的双波粒状态。

基尔大学的任命科塞尔为理论物理教授在1921年,他在接受一把椅子之前做了进一步工作的意义但泽大学(现在的格但斯克)于1932年。1945年,科塞尔把他的家人带到西德和培育一个蓬勃发展的研究文化图宾根大学的物理教授。他在1953年退休,1956年去世。

科塞尔的论文在电子和化学成键出现在1916年4月,刘易斯的一个月后。刘易斯开始化学数据,协调关于元素周期表。科塞尔的论点建立在新的量子物理学,他和索姆费尔德都做出了重要的贡献。然而,欣赏这个工作的重要性,我们需要进一步回顾。

八隅体规则

化学家在19世纪通常表示分子结构的球棍模型,但许多人怀疑他们是否准确地代表物理现实。立体异构现象的发现在1870年代指出,原子间键存在,但其本质仍然是神秘的。1896年线索来自剑桥大学卡文迪许实验室,在J J汤姆森发现一些他很快就被称为“小体”——被称为电子。

汤森表明,高压放电管中产生阴极射线是带负电的粒子的流,大规模远远少于最小的原子。最初,他设想的原子带正电的球体塞满电子——所谓的“葡萄干布丁模型”。汤姆森的前学生,1911年,新西兰人欧内斯特·卢瑟福,提出了行星原子与电子轨道密度积极的核心。无论是模型似乎符合物理定律,然后理解,但暗示电子参与化学键。

1904年,汤森提出弱举行小体可以从阳性的元素的原子迁移到的电负性,由此产生的相反电荷粒子绑定在一起。最近发现的稀有气体的化学活动说服他,外层电子的原子有一个特别稳定的结构。应用经典电动力学方程,他估计20电子可能共存于一个原子的外表面,但承认这个结果是不确定的。

它不会是历史上的第一次科学观察的范围增加材料需要修改一概而论基于观察的一个较小的领域

进一步推测电子在化学成键的作用是在1908年出版的德国物理学家约翰内斯·斯塔克。他们然后影响不大,但刘易斯的优先索偿后获得更多的意义的挑战。自1902年以来,刘易斯的哈佛大学讲座专题图的原子的电子形成同心外壳。他认为,最稳定的原子配置有一个外壳的八个电子位于角落的一个立方体,但没有发布这个想法好几年了。

数字8的意义已经被英国化学家约翰·纽兰兹的“八度定律”预示着周期律介绍1869年俄罗斯的门捷列夫。门捷列夫后来说,几个元素的总和他所说的他们的氢和氧化学键是8——例如,H₂年代,所以₃、盐酸和Cl₂O₇,1904年,德国化学家理查德Abegg刊登了后来称为他的“八的规则”。

除了指出许多多价元素的总和最高及最低的价是八,Abegg观察到一些惰性气体占据第八的位置相似序列的元素。不幸的是他不再追求这些见解之前过早死亡的航空事故。

立方体的混乱

到1916年,刘易斯发表他的解释阿贝格氏规则时,物理学家们开发更多复杂的原子模型。1913年,尼尔斯·波尔-卢瑟福的丹麦曾提出,电子绕原子核只在距离与特定的能量量子相关联。他的想法是进一步开发科塞尔的导师索姆费尔德,等等。这些数学的描述电子在原子光谱行为解释一些复杂的模式,但是在第一个化学家缓慢欣赏他们的潜在效用。

1916年物理学家科塞尔大胆地宣布,任何原子的化学行为是由“可用原子中电子的数量和条件有可能他们离开的。与索姆费尔德的努力协助相关谱线与波尔的使量子化电子轨道,科塞尔知道非常大的能量量子(x射线频率范围)被要求分离电子位于靠近细胞核。因此他认为,只有最外层的可以打破参与化学键。

科塞尔提出,如果一个碱金属原子捐赠一个电子卤素原子,给每一个稳定的外壳像惰性气体,产生的电荷会绑定这些原子在晶体结构,或者允许他们作为离子解决方案。他相信大多数化合物形成的过程类似,但承认,对于那些涉及碳这张照片是不清楚。

相比之下,刘易斯的1916年的论文提出,碳原子获得了稳定的外壳通过共享电子,而不是通过增加或减少。他断言,“电子可能形成两个不同原子的外壳的一部分,不能说只属于其中任何一个,认为波尔的原子模型不能解释这一点。

我们必须首先从研究化学现象,了解原子的结构和安排,如果我们发现有必要改变法律在短距离带电粒子之间的作用力,甚至在一定程度上改变的迹象,力量,它不会是第一次历史上的科学观察的范围增加材料需要修改一概而论基于观察的一个较小的领域,”刘易斯在1916年写道。

这种信念支撑刘易斯的立方体模型。他建议对单原子间债券两个数据集有关角落角落,而在双键他们加入面对面。

碳碳三键是更多的问题,他们最终导致刘易斯放弃立方体结构。相反,他提出一个完整的外壳有四对电子位于四面体的角落里,有两个四面体加入面对面三键。成对电子成键的概念与刘易斯的信念,统一协调化合物一个原子捐赠两个成键电子。(不过,他认识到债券涉及奇数电子偶尔可能的。)

一生的敌人

从1919年开始,美国物理化学家欧文·朗谬尔发表了一系列论文开发了一种合成的科塞尔和刘易斯理论,引入“电价的”和刘易斯的共价债券类型称为“极”和“极性”。朗缪尔的宣传说服更广泛的受众理论的价值,而他们中的许多人视他为师。刘易斯抱怨时,朗缪尔引用斯塔克的1908年的论文作为证据,刘易斯的观点是不完全是空前的。

刘易斯的不适后增加了朗缪尔获得诺贝尔奖他表面化学的贡献。(虽然经常提名,刘易斯从未获得这一奖项。)刘易斯的1923年出版的价,原子和分子的结构,在某种程度上,他的优先索偿辩护,尽管他的时候似乎原子模型进化。

”视图基于周期法和元素的化学行为导致的照片相对静态原子…的实验物理学家导致原子的不同视图…这两个观点似乎完全不相容的,尽管它是相同的原子被调查的物理学家和化学家,”刘易斯在1923年写道。

然而,他认为波尔的最近提议原子电子关联在不同的贝壳的消除了每个基本元素之间的冲突的观点的物理学家和化学家。

此时大多数物理学家认为,亚原子粒子,虽然看不见,但还是可以理解的。正如福尔摩斯测量一个窃贼的足迹从步幅长度来计算他的身高,他的体重从印象的深度,所以他们试图推导出电子可观测数据的统计数据是至关重要的。但到1920年代末,电子被揭露为高度矛盾的实体,有时表现得像物质粒子,有时像束的能量波动性质——如果窃贼的打印与猎犬的交替。

许多化学家无视这些神秘,专注于自己的纪律的直接挑战。然而,一种新的化学方法结合新兴的进步是由物理学家——特别是,奥地利欧文薛定谔。它开始于最简单的分子,氢。1927年,两个电子的错综复杂的舞蹈被两名德国物理学家表示数学,沃尔特·海特勒和伦敦弗里茨。都曾与索姆费尔德在慕尼黑,后来与薛定谔在苏黎世,在那里他们遇到了来访的美国化学家,莱纳斯鲍林。

鲍林进一步将这些想法带回家来,发达。他1939年的杰作,化学键的性质为一代又一代的学生,变成了一个标准的文本。鲍林的价键系统的进化和互补的分子轨道模型由弗里德里希·洪德开创,罗伯特Mullikan和其他人——太复杂的故事继续。但是他们的工作,和我们目前的理解化学成键,在刘易斯铺设的基础建立在一个世纪前,科塞尔。

Mike Sutton是一个访问学者诺森布里亚大学人文系的英国

进一步的阅读

科塞尔讣告:E N C·安德拉德,自然,1956,178年,568 (DOI:10.1038 / 178568 a0)

刘易斯讣告:J H希尔德布兰德Biogr。Mem。家伙r . Soc。,1947,15,491 (DOI:10.1098 / rsbm.1947.0014)

H Kragh,尼尔斯·玻尔和量子原子,牛津大学出版社,2012年

K J Laidler,物理化学的世界,牛津大学出版社,1995年