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  • 1 # 科技袁人袁嵐峰

    萊納斯·鮑林(Linus Carl Pauling,1901 - 1994)是二十世紀最偉大的化學家之一,也是諾貝爾獎歷史上唯一一位兩次單獨獲獎的人(1954年的諾貝爾化學獎和1962年的諾貝爾和平獎,他跟愛因斯坦、羅素等人是科學家反戰運動的領導人)。鮑林在化學上的主要貢獻,是提出了“價鍵理論”(valence bond theory,常被縮寫為VB理論)。《化學鍵的本質》(The Nature of the Chemical Bond)是他的代表作,集中解釋了價鍵理論。

    鮑林

    在價鍵理論提出之前,化學家對於“原子為什麼能結合成分子”這個基本問題,只有一些模糊的回答。他們會說,原子之間存在“化學鍵”。不過這話本身相當於同義反復,就像說物質有溫度是因為有“熱質”,能燃燒是因為有“燃素”一樣,不能解決實際問題。

    一個重大的進步來自美國化學家吉爾伯特·路易斯(Gilbert Newton Lewis,1875 - 1946),他提出了“共價鍵”的概念,指出原子之間共享一對電子可以導致結合力。這就可以解釋為什麼H是一價的,O是二價的,N是三價的,C是四價的等等,確實是個了不起的成就。不過這種解釋只是定性的,無法定量給出結合能,也無法解釋很多例外情況。

    1925年,海森堡提出了新的量子力學理論,用的數學工具是矩陣。很快,薛定諤提出了跟海森堡的理論等價、但更方便使用的微分方程形式的量子力學理論,稱為波動力學。鮑林那時正在歐洲留學,他還跟著薛定諤作了一段博士後。

    鮑林把新的量子力學理論用到化學上,對多電子體系的波函式做了一些關鍵的近似,就得到了價鍵理論。用價鍵理論能對許多化學現象給出定量或半定量的解釋,所以《化學鍵的本質》這個驚人的標題是當之無愧的。

    此書最大的歷史貢獻,是讓化學家們認識到化學的理論基礎就是量子力學,原則上用量子力學能夠解釋一切化學現象。

    但是,如果你問:價鍵理論現在化學家們用得多不多?回答卻是:不多。因為有另一個理論,叫做“分子軌道理論”(molecular orbital theory,常被縮寫為MO理論),針對的是跟VB理論相同的問題,而做了另外一些近似,計算量就小得多,對大多數問題用起來也方便得多。因此,在實用當中,現在化學家們大多數時候用的是MO理論。VB理論只是作為一個特色,在某些特殊的問題中使用,基本上就是不斷地保持存在感,提醒大家:我還活著呢!

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