【非遗传承】吉尔伯特·牛顿·路易斯(图)

吉尔伯特·牛顿·刘易斯(Gilbert Newton Lewis,1875-1946)是20世纪最伟大的化学家之一,他是现代化学热力学的奠基人,共价键的发现者,他提出酸碱概念是化学的又一重要贡献)科学。

1922年,刘易斯首次获得诺贝尔化学奖提名,到1946年,他被提名41次,但从未获得过诺贝尔化学奖,成为诺贝尔化学奖史上的巨大争议之一。奖。

本文介绍了刘易斯的人生经历和科学成就,并对他的科学探索历程进行了盘点。

吉尔伯特·牛顿·刘易斯在化学热力学和化学键理论等领域的杰出工作将美国的物理化学研究推向了国际前沿,终结了欧洲在物理化学领域的霸主地位,对化学的发展产生了巨大的影响。

他被誉为“现代化学热力学的奠基人”和“共价键的发现者”。在他漫长的科学生涯中,他不断地以旺盛的精力、热情和对新发现的热情工作,极大地丰富了化学科学。

路易斯生活

刘易斯于 1875 年 10 月 23 日出生在美国马萨诸塞州的韦茅斯,他的整个基础教育都是在家中完成的。

1891年,刘易斯进入内布拉斯加大学化学系开始本科学习,1893年转入哈佛大学。在大学期间,他对物理化学家理查兹教授的基础理论和物理化学课程非常感兴趣。

刘易斯于 1896 年毕业于哈佛大学,获得化学学士学位。在中学任教一年后,他回到哈佛大学,成为理查兹指导下的第一位博士生。

1899年,刘易斯完成了题为“自由能和物理化学平衡的一般方程及其应用”的博士论文,并获得了哲学博士学位。

博士后研究期间,刘易斯先后在德国莱比锡奥斯特瓦尔德大学实验室和哥廷根大学物理化学家沃尔特赫尔曼能斯特实验室学习,并在奥斯特瓦尔德实验室学习。他在研讨会上就他正在研究的新概念“Fugacity”发表了演讲。

1901 年底,刘易斯回到哈佛大学化学系继续担任讲师,但于 1904 年离开,接受菲律宾科学局度量衡主任一职。

1905年底,刘易斯回国后在麻省理工学院任教,进入物理化学家亚瑟·阿莫斯·诺伊斯创办的物理化学研究实验室,很快开始测量物质的自由能。进行实验研究的同时,还继续进行热力学的理论研究。

刘易斯在麻省理工学院工作了七年,在此期间,他在美国物理化学界获得了一席之地,并因其在化学热力学实验和理论研究方面的杰出工作而成为一名成熟的科学家。

1912年秋,应加州大学伯克利分校校长邀请,刘易斯加入该校,并被任命为化学学院院长和化学系主任。

在进行化学热力学研究的同时,他还不断思考化学键理论。1916年,他首次提出共价键的共享电子对模型,使人们对分子结构有了新的认识。

第一次世界大战后,刘易斯回到加州大学伯克利分校化学学院,并于 1923 年与 Randall 合作出版了两本书,《化学物质的热力学和自由能》,以及《价与原子和分子的结构》。

1941年,刘易斯辞去化学学院院长和化学系主任的职务,但继续从事研究工作,直到1946年3月23日,刘易斯在做实验时死于心脏病。

现代化学热力学基础

刘易斯在攻读博士学位期间进入了化学热力学领域。

当时,化学热力学研究沿着两条不同的路径发展。其中之一是以 Josiah Willard Gibbs 为代表的团体。基于化学系统和机械系统的类比,利用熵和热力学势,用推演的方法得到另一个是以奥斯特瓦尔德、范特霍夫和阿伦尼乌斯为代表的被称为“离子学家”的群体,他们使用应用的他的诱导法研究了化学亲和力、质量和温度对化学平衡、反应速率、渗透压现象和电解离解等许多新老问题,建立了物理化学的理论框架。

刘易斯渴望通过统一这两个理论体系并以化学家更容易理解和更严谨的方式呈现化学热力学来改革化学热力学。

他从分析相平衡现象开始,意识到如果任何含有一种物质的相与不含有该物质的其他相接触,每种物质都有离开它所在相的趋势。

1901年,刘易斯提出了“逸度”的概念,它反映了气体的非理想行为,并提出如果用逸度参数系统地代替蒸气压,所有化学热力学的近似方程都可以转化为精确方程。

1907年,刘易斯提出了“活性”这一重要概念,它是指用浓度维度来表达物质在一定状态下的逃逸倾向键合图理论及其在系统动力学中的应用,反映了化学系统的非理想行为,扩展了含义。逸散性。

刘易斯使用活度推导了许多重要的热力学方程,其形式与理想系统的近似方程相同,但当以活度表示时,结果是准确的。

刘易斯提出的逸度和活度概念并没有立即引起化学家的注意。1920 年代以后,它们被世界各地的化学家广泛使用。基本词汇。

1921年,Lewis和Randall为了解决单个离子的活度无法测量的问题,提出了离子的“平均活度”和“平均活度系数”的概念;为了测量不同化合价混合电解质溶液的活度系数,提出了“离子强度”的概念,找到了强电解质在稀溶液中的活度系数由离子强度决定的经验规律,奠定了为电解溶液热力学的发展奠定了基础。

1923 年,Lewis 和 Randall 提出了 Lewis-Randall 逸度法则,用于计算实际气体混合物中各组分的逸度。

热力学的发展表明,化学亲和力的正确度量是“自由能”(现在称为“吉布斯自由能”),诺伊斯和刘易斯意识到编制一张自由能数据表对化学有很大的价值。

1906年,美国国家科学院批准了诺伊斯要求的一个合作项目,刘易斯与几个实验室共同负责自由能数据的收集和测定。

1912年刘易斯在伯克利建立实验室后,数据测定取得了实质性进展,部分物质的形成自由能和电极电位的标准值得到了准确测量。

1913年,刘易斯首先提出了自由能数据的计算基准,为国际纯粹与应用化学联合会的标准热力学数据提供了依据。

元素熵也是一个有意义的热力学数据。1917年,刘易斯与乔治·欧内斯特·吉布森合作,通过大量计算得到了48个元素的熵值数据表。分析认为,纯物质完美晶体的熵在绝对零处消失,提出了热力学第三定律更准确的表达方式,沿用至今。

在与兰德尔合着的专着《热力学与化学物质的自由能》中,刘易斯首次成功地将吉布斯建立的统一热力学理论体系应用于化学过程,奠定了现代化学热力学的基础。

发现共价键

刘易斯对化学键理论的兴趣始于 1898 年他的硕士论文。

1902年,刘易斯意识到一个立方体有8个顶点,8个位置可以用来排列外部电子,于是他提出了“立方原子”模型,即原子是一个立方体,由一个带正电的原子核组成并固定在周围核。同心立方电子壳。

刘易斯 1905 年到达诺伊斯的实验室后,就他的“立方原子”模型与同事进行了热烈的讨论键合图理论及其在系统动力学中的应用,但没有达成共识。

1913 年 10 月,布雷和刘易斯的博士生 Gerald Blanche 发表了一篇文章,提出原子之间存在两种不同类型的键合:极性键合,即电子从一个原子转移到另一个原子。; 非极性键合,即原子间没有运动的电子键合。

刘易斯在同一问题上表示同意,正式采用了他们的新术语,认为必须承认有两种化学键不仅在程度上而且在种类上都不同。

1916 年 4 月,刘易斯终于发表了划时代的论文《原子与分子》,提出了共享电子对键的概念,这是 20 世纪化学中最重要的思想之一,是了解基本性质的重要一步化学键,打开了化学之门。领域的“电子结构革命”。

刘易斯提出化学键由两个原子共享的一对电子组成。他认为,电子对的共享导致分子中除氢原子外的大部分原子的价电子壳层有8个电子,这就是稀有气体分子的价电子壳层,路易斯称之为“八法则”。

然而,刘易斯无法解释为什么电子似乎具有形成电子对的特殊能力,即使它们相互排斥,或者为什么 2 个电子可以在原子之间形成 1 个键,但他坚信电子对是理解化学的线索债券。

“立方原子”是刘易斯共享电子对键理论的一大特点,虽然不正确,但它是刘易斯进入化学键理论领域的第一步,为他提供了重要的见解。

在他 1916 年的论文中,Lewis 为“共享电子对键”设计了一个巧妙、方便的表示法,即使用 2 个点来表示一个电子对,这样或用破折号来表示一个键或一个共享电子对。结构式称为“刘易斯结构式”。

Lewis 发现的共享电子对键因其在理解和解释复杂有机反应方面的成功应用而得到广泛认可。

“原子和分子的化合价和结构”深刻地影响了化学家对原子和分子之间化学键合的思考方式。该书的另一个重要贡献是路易斯对酸和碱的定义,他提出了酸碱电子理论,也被称为“路易斯酸碱理论”,是理论化学和物理领域的一个重要里程碑。化学。

该理论认为,任何可以接受外来电子对的分子、基团或离子都是酸。任何可以提供电子对的分子、离子或原子团都是碱基。

刘易斯的理论是当代化学中使用最广泛的模型,为描述分子的结构和反应性提供了一般基础。

后世纪

路易斯在他的一生中获得了许多荣誉。

Lewis was elected to the National Academy of Sciences in 1913 (and resigned in 1934 because he believed that the affairs of the Academy were overly controlled by some), received the Nichols Medal from the New York Chapter of the American Chemical Society, and the Chicago美国化学学会分会。威拉德·吉布斯奖章、美国化学会东北分会的西奥多·威廉·理查兹奖章、皇家学会的大卫奖章和瑞典皇家科学院的阿伦尼乌斯奖章。

1955年出版的刘易斯传记公开表达了他对错过诺贝尔化学奖的遗憾,随后也有不少人对刘易斯进行了吐槽。

2016年,美国化学会全国会议在加利福尼亚州圣地亚哥召开,讨论诺贝尔奖委员会在诺贝尔奖颁奖历史上的失误和疏忽。他认为刘易斯未能获奖有两个原因:诺贝尔奖评委们没有意识到刘易斯的工作在当时的化学领域并不奏效。具有重大意义的是,个别诺贝尔奖评委故意阻止刘易斯获奖。

为了纪念刘易斯,加州大学伯克利分校新建的化学大楼于1948年被命名为“刘易斯大楼”;1951年,美国化学会加州分会设立“吉尔伯特·牛顿·刘易斯奖章”,奖励对理论做出突出贡献的化学家;1993 马萨诸塞州宣布 1993 年 10 月 23 日为吉尔伯特·牛顿·刘易斯日。

为纪念刘易斯领导的化学学院对化学科学的开创性成就,1997年美国化学学会将加州大学伯克利分校化学大楼——“吉尔曼大楼”命名为美国“国家化学历史地标”。

在第183届美国化学会会议上,召开了纪念刘易斯的座谈会;Journal of Computational Chemistry 在 2007 年出版的特刊《Chemical Bond 90 Years》中发表了 9 篇关于 Lewis 和 Lewis 的工作及其影响的论文;2016年,欧洲科学院院士、牛津大学教授迈克尔·明戈斯组织了30多位世界理论化学领域的领军人物,编写了三卷散文集《化学键》,评述影响巨大刘易斯关于现代化学的开创性思想。

路易斯“是一个伟大的灵魂,他的精神永远不会被那些认识和爱他的人所遗忘”。他的名字永远伴随着化学热力学、共价键理论和酸碱电子理论!

作者简介:沈玉龙,唐山师范大学化学系教授。他的研究兴趣包括化学史和科学技术史。

论文全文发表于《科技导报》2021年第22期

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