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化学史实(24)——化学键理论的发展  

2012-06-25 23:33:28|  分类: 化学历史故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 化学史实(24)——化学键理论的发展
    世界上元素只有100多种,但目前已知化合物已超过1000万种了。元素是怎样形成化合物的,这是化学家共同关心的问题。

   最早化学家假设原子和原子之间是用一个神秘的钩钩住的,这种设想至今仍留下痕迹,化学键的键字就有钩的意思。

  1916年德国科学家柯塞尔考察大量的事实后得出结论:任何元素的原子都要使最外层满足8电子稳定结构。金属元素的原子易失去电子而成为带正电的阳离子,非金属元素的原子易获得电子而成为带负电的阴离子,从而各自达到稀有气体元素原子的最外层结构。形成的阴、阳离子靠库仑力结合成化合物。柯塞尔的理论能解释许多离子化合物的形成,但无法解释非离子型化合物。

  1923年美国化学家路易斯发展了柯塞尔的理论,提出共价键的电子理论:两种元素的原子可以相互共用一对或多对电子,以便达到稀有气体原子的电子结构,这样形成的化学键叫做共价键。例如,氯气分子是 。

  科塞尔和路易斯的理论常叫原子价电子理论。它只能定性地描述分子的形成,化学家更需要对化学键作定量阐述。

  1927年,海特勒(W.H.Heitler,1904——1981)和伦敦(F.London,1900-1954)用量子力学处理氢分子,用近似方法计算出氢分子体系的波函数和能量获得成功,这是用量子力学解决共价键问题的首例。1930年,鲍林更提出原子成键的杂化理论(杂化轨道理论)。1932年,洪德把单键、多键分成σ和π键两类。σ键指在沿着连结两个原子核的直线(对称轴)上电子云有最大重叠的共价键,这种键比较稳定。π键是沿电子云垂直于这条直线方向上结合而成的键,这种键比较活泼。这就使价键理论进一步系统化,使经典的化合价和化学键有机地结合在一起了。

  由于上述的价键理论对共轭分子、氧气分子的顺磁性等事实不能有效解释,因此本世纪30年代后又产生一种新的理论——分子轨道理论。

  分子轨道理论在1932年首先由美国化学家马利肯(R.S.Mulliken,1896——)提出来。他用的方法跟经典化学相距很远,一时不被化学界接受,后经密立根、洪德、休克尔、伦纳德等人努力,使分子轨道理论得到充实和完善。它把分子看作一个整体,原子化合成分子时,由原子轨道组合成分子轨道,原子的电子属于分子整体。分子轨道就是电子云占据的空间,它们可相互重叠成键。30年代后,美国化学家詹姆斯又使分子轨道理论计算程序化,能方便地用计算机处理,这便使分子轨道理论价值大大提高。接着美国化学家伍德沃德、霍夫曼发现分子轨道对称守恒原理和福田谦一等创立前沿轨道理论,使分子轨道理论大大地推前一步。

  现代化学键理论已不只对若干化学现象作解释,而且理论已指导应用,如在寻找半导体材料、抗癌药物等方面起关键性作用。同时在90年代,现代价键理论已进入生命微观世界,从理论上认识酶、蛋白质、核酸等生命物质,从而进一步揭开生命的秘密。此外,近年来现代价键理论向动态发展,如化学反应进行中电子的变化情况,如何定量描述等。

  总之,化学家对化学键的认识,从定性到定量,从简单到复杂,迄今可以说步步深入,估计21世纪还有新的突破。

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