原子与分子
化学键,就是两个原子共同持有的一对电子。
如果两个原子都想要一层填满的外壳,却不是靠彼此抢夺电子,而是靠共享一对电子,各自如愿呢?
核心想法
原子对自己最外层的电子,比对任何别的东西都更挑剔。到 1916 年,化学家已经知道,许多原子在外层有八个电子时最为安稳——这就是「八隅」——而旧的解释是:一个原子把电子交给另一个,两边便都凑成整齐的外壳。这对食盐是行得通的,钠把一个电子给了氯。可它解释不了化学的大半江山:气体、油脂、生命赖以构成的碳化合物——在那里,没有哪个原子肯把电子白白送人。
吉尔伯特·路易斯给出了一个更好的主意。两个原子可以各自凑足八个,办法是共享一对同时属于双方的电子。这对共享的电子,就是化学键。共享一对,是单键;共享两对、三对,便是双键、三键。为了记账,路易斯把每个外层电子画成原子符号周围的一个点——这些点式的画法,至今仍在每一堂化学课上教着。
它是如何诞生的
路易斯把这个想法追溯到他 1902 年画的一张教学草图:把原子看成一个小立方体,八个角上各可以有一个电子——填满的外壳,就是填满的立方体。他把这想法搁了许多年。1916 年终于发表时,他并不孤单:德国的瓦尔特·科塞尔同年厘清了电子转移那一面的故事;而路易斯的八隅之规,又承接自更早的理查德·阿贝格。
随后,欧文·朗缪尔——一位才华横溢、不知疲倦的演说家——接过了路易斯的方案,给「八隅(octet)」命了名,并如此有力地把它带遍化学世界,以至于人们开始把它称作朗缪尔理论——这刺痛了最先想到它的路易斯。而尽管影响如此之大,路易斯被提名诺贝尔奖数十次,却始终未能获奖,这是诺奖史上最著名的疏漏之一。
它为何重要
共享对把一堆无从解释的事实,变成了一条清晰的规则,也给了化学家一种方法:把任何分子画出来,并预测它会如何行事。一个化学学生学着在纸上做的几乎一切——推断分子的形状、用箭头推着电子对去追踪一个反应、判断一个结构是否合理——都直接源自路易斯的那些点。很难找到比它更深地织进化学日常的想法了。
一个可以想象的画面
想象两个人,各自都需要一副完整的手套,可每人只有相配一双中的一只。谁都不肯把手套送人。于是他们约定,共同握着一双手套——这一双,对两人都算「完整」。这双共握的手套,就是键。要是还嫌冷,他们可以再共握第二、第三双。而正如一只手戴不下超过一定数目的手套,一个小原子也容不下超过八个外层电子——硬要塞更多,这个排布根本就不会形成。
它的位置
路易斯出现的时刻,恰在周期表(mendeleev-1869)已把元素分门别类之后,又正当物理学家在把原子拆开——汤姆森的电子、卢瑟福的原子核、玻尔的壳层。他用了他们的电子,却仍带着化学家的眼光,问的不是原子是什么,而是它如何成键。更深的「为什么」——是什么让一对共享电子黏得住——则随后到来,当量子力学经鲍林之手抵达化学(pauling-1931)。路易斯的点,正是周期表通向量子化学键的那座桥。
…the total difference between the maximum negative and positive valences or polar numbers of an element is frequently eight, and is in no case more than eight.