20世纪的科学怪杰：鲍林(36)

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三六

1931年，鲍林基于量子理论创造的化学键理论，比当时的思想领先了十年。绝大多数化学家既不知晓量子力学为何物，也不理会量子力学对化学学科的重大意义。对大多数从业人员来说，真正的化学研究是在实验室里，而不是在一张纸上进行的；只有通过亲手配制化合物，并观察其反应来作出发现，而不是靠臆想来推出一些数学公式。他们可能听说过Ｘ射线晶体学这一物理学家的工具，但是从未使用过——加州理工学院仍然是将这一技巧运用到化学上的为数不多的学校之一。至于鲍林对分子结构重要性的强调，那是有机化学家所关心的事，其他领域的化学家则相信它对整个化学学科的作用不大。　　最重要的是钻进实验室，把你的手弄脏。实验化学家鄙视鲍林这样的理论家，认为他们过多地依赖物理来获取灵感。英国著名的化学教育家亨利·阿姆斯特朗在90年代中期对此发表了颇具代表性的看法：“事实是，物理化学家从不运用自己的眼睛，最可悲的是缺乏化学教养。我们应该把这些物理因素彻底地从我们中间剔除出去，并回到我们的实验室中。” 　　只有他们对新物理的无知才可以同他们对抽象思维的怀疑相媲美。多数30年代早期的化学家对海特勒一伦敦一斯莱特一鲍林化学键理论的反应是无精打采的一个哈欠。在诺贝尔化学奖获得者哈罗德·尤里的记忆中，他们“对这一理论一无所知，一窍不通，而且除鲍林以外，没有什么人在意它。” 　　但是诺伊斯和路易斯安排鲍林在加州理工学院和伯克利分校广泛传播他的思想，那里的多数化学系学生开始认识到这一方法的重要性，其中最聪明的一些学生开始追随鲍林，进入了这一领域。在物理方面，像斯莱特和伦敦这样的学者继续修饰着混合波函数的数学公式，从物理的第一原则出发来解决简单原则的结构问题。然而他们的工作对化学的影响甚微，因为他们并不掌握化学家手中非常重要的经验事实，并不拥有相同的世界观，也不了解哪些问题是最关键的。简而言之，他们不是化学家。　　罗伯特·马利肯是为数不多的通晓物理和化学的科学家。他的父亲是麻省理工学院的化学家，他本人在芝加哥大学跟随密立根学习了物理，在哈佛进修时住在斯莱特隔壁。与鲍林一样，他在20年代末东渡欧洲学习量子力学。在哥廷根，马利肯受到了玻恩的一位助手弗里德里希·亨德的影响。亨德解决化学键问题的思路与鲍林不同。亨特感兴趣的是分子光谱学，即对分子吸收和释放的光的特点的研究。他发现，从这一角度观察，分子的性态在很多方面与单个原子相似。亨特和马利肯提出了一种与鲍林的理论截然相反的化学键概念。他们认为，电子并不是集中在两个原子核之间并将它们键合起来，而是分布在分子的表面，形成马利肯所称的分子轨道。　　比如，他们设想氢分子H2，并不是像海特勒和伦敦提出的那样由两个氢原子共用电子对而形成化学键，而是由一个带有两个电子的氦原子分裂成两个原子核，同时围绕它的电子云形成了一个新的分子轨道。马利肯在1932年写道：“总的来说，没有人把分子看作是由原子或离子组成的。人们认为，把分子看作是由一定数目的成键电子或电子对将一些原子或离子联结在一起的想法，在某种程度上是没有什么意义的。”这是一种非常激进的思想；分子轨道概念同多年来化学家对化学键本质的认识针锋相对，然而，它符合光谱数据。马利肯回到美国芝加哥大学教书时，把这一思想也带了回来。　　在一段时间里，化学家似乎不得不在鲍林和马利肯的不同理论中作出自己的取舍。但是从根本上看，两种观点的分歧并没有像表面上那么大。两者都建筑在薛定谔的波动方程上，而斯莱特和其他科学家在30年代中期发现，如果将数学公式深入推导下去的话，两者最终会给出相同的答案。情况有些像物理学家在海森伯的矩阵与薛定谔的波动方程之间的权衡：尽管看起来大相径庭，实际上是殊途同归。选择的标准是哪一种方法更简便，以及在某种情况下，哪一种方法更奏效。　　鲍林当然认为自己的方法在理解化学键问题上更胜一筹。他知道分子轨道方法是有用的——他在寻找化学键问题的突破时也尝试过这种方法——但是，当他在1931年成功地修正了海特勒一伦敦的理论之后，就基本上放弃了这一种方法。当斯莱特表明他的方法和马利肯的方法实际等效后，鲍林觉得没有必要再去纠缠分子轨道法了。他的思想符合化学家对于化学键的认识；与此相反，鲍林觉得马利肯的方法不符合直觉，不容易为学生所接受。　　鲍林的化学键理论一举成名，而马利肯的理论却默默无闻。原因有多种，最主要的是，鲍林是一个能说会道的教师，一个妙笔生花的作者。他深诸如何用化学界听得懂的语言来进行交流。鲍林一开口，价键理论似乎是不容质疑的智慧。马利肯一张嘴，听众就昏昏欲睡。马利肯是一个糟糕透顶的教师，在大庭广众面前极不自在，声音小得几乎听不见。他不愿意迎合自己化学系的学生，讲课时总是离题万里，充斥着数学，听者很难跟得上。他的书面功夫也好不到哪里去。随着年代的推移，马利肯和他的一小批追随者埋头于改进他们的分子轨道法，不断地使数学方程更精炼，并运用它成功地解决了一些问题。二十年后，新一代的化学家将更倾心于马利肯的理论。但是，在30年代，马利肯的思想被来自帕萨迪纳的高谈阔论淹没了。　　＊＊＊　　在第一篇论文“化学键的本质”发表之后，鲍林的灵感喷涌而出。1931年6月，他提交了一篇后续的论文，这篇论文成了其论文系列的第二篇。在这篇论文中，鲍林探讨了如何用量子力学来解释相对较少的单个电子和三个电子的化学键问题。在不同的解释中，他用计算的办法帮助确定了诸如氧、硼和硝亚基化合物特殊的键合特性，即让路易斯着迷的罕见的“孤电子”分子。路易斯本人和鲍林就这篇论文中的一些观点进行了探讨。当鲍林在伯克利访学的时候，两人在路易斯办公室的黑板上涂满了示意图和公式。路易斯一边喷吐着雪茄的烟雾，一边喷吐着真知和灼见。　　鲍林下一步的目标是更大的难题。长期困扰化学界的一个疑案是两种不同类型的化学键，也即离子键和共价键之间的关系。按照路易斯的观点，如果两个原子平等地共用一对电子，所形成的化学键就是共价键；如果某一原子把整个电子对都拉到自己这一边，使一个原子带负电，另一个原子带正电，所形成的化学键就是离子键；离子键是由正负离子之间的静电引力所产生的化学键。问题是，离子键和共价键是具有截然不同性质的两类现象呢，还是如路易斯认为的，是一个连续作中的过渡。　　在鲍林“化学键的本质”系列的第三篇论文中，鲍林指出，量子力学又一次支持了路易斯的观点。至少在某些情况下，他的公式表明，兼有离子和共价性质的“偏离子”键符合量子力学和实际观测的结果。在其他情况下，他发现不同类别的化学键之间的跳跃是非连续的；这涉及原子对电子吸引程度的大小。他举了几个实例，并提出一些形成这些中间化学键所必要的条件来证实自己的观点。　　在写到化学键的时候，鲍林开始用“共振”一词来代替“电子交换”，而且他把这一概念推广到了新的领域中。海森伯使用电子交换的概念来说明电子的可交换性；海特勒和伦敦用它来解释共价化学键；鲍林和斯莱特用它来解释形成四面体碳原子这类混合化学键所需要的能量。现在鲍林又提出，如果满足一定条件的话，在分子的离子键和共价键之间的状态也会存在共振。例如，氯化氢既可以被看作是氢原子通过纯粹的共价键与氯原子键合在一起，也可以被看作是带正电的氢离子通过纯粹的离子键与带负电的氯原子键合在一起。鲍林指出，实际的分子是一种混合的类型，一种在两种极端情况之间的共振结构。不管何时发生这种情况，“只要在两种形式之间产生了共振，结构就稳定下来，”鲍林说。　　对鲍林而言，整个化学观念开始发生变化。他兴奋地意识到，共振也可以运用到单键和双键的关系上来——并不需要非此即彼，而可以在两种状态之间产生共振，从而形成具有独特性质的稳定的偏双键。对于那些不能纳入经典理论范畴的结构，共振给出了圆满的解释。　　实际上，按照这一新思想，所有的化学现象都可以重新加以估价，而鲍林在30年代早期从事的正是这一宏图大业。通过把自己的共振理论运用到各类化学键问题上，并根据已知的键长和键强的经验数据修正自己的理论结果，鲍林写出了一系列论文，把化学引向了一条新的道路。

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