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‘泽中有火。
’”这里的“泽”就是沼泽。
“火井”是我国古代人们给天然气井的形象命名。
根据现已发现的文字记载,在我国辽阔的土地上,北起长城内外,南到云贵高原,西至玉门关外,东临黄海之滨和台湾省,古代都曾发现过天然气,有的地方早在2000年前就钻凿了天然气井。
18世纪的欧洲科学家们发现了甲烷后,科
种结构和性质之间关系的概念。
这些概念的确立,为人们认识甲烷分子的结构提供了理论依据,人们就在这些认识的基础上相继提出了
三种甲烷的结构式,但是这却是道尔顿提出甲烷图式半个世纪后的事情了。
可见人类认识微观世界分子的结构所耗费的时间是相当长的,人类本身的认知能力还是有相当一部分局限性的,化学最需要的就是基于事实的想象。
立体化学出现了
18世纪60年代初期,虽然经过凯库勒、布特列洛夫等人的努力,化学结构的概念已经基本确立,但是一直到70年代,作为表示物质分子结构符号的结构式,仍然在反映实际情况上不断出现矛盾,而且相当混乱。
这种写法随着有机化合物种类的增多,发现的物质越来越复杂,在更复杂的有机分子面前,这种表述方法显得越来越无力。
这种结构式的写法,已经比较正确的表示了分子中原子之间的相互位置关系和连接方式,但是在异构体的表述上,写出的异构体数目总要少于实际已经发现的数目,而正是这种矛盾的出现,使人类对化学的认识上升到了立体化学的层面。
1874年,范霍夫和列别尔分别从旋光异构体的数目出发,提出了碳原子具有四面体结构的学说。
他们假定分子内原子和原子团的位置只有一种是稳定的,而且不能互换位置,然后再进一步引入对称性的要求,就导出了碳的四个价键不是伸向一个平面的结论。
对于这一结论,列别尔则是小心翼翼地只暗示了它具有四面体结构的可能,而范霍夫则大胆明确地提出了四面体假说,即甲烷分子中,碳原子位于正四面体的中心,连接氢原子的四个键伸向四面体的四个顶点。
这样甲烷的分子结构又可以用
和
来表示了。
范特霍夫提出的甲烷正四面体假说,以及根据这一假说所衍生出来的一系列重要的推论,在自然科学的许多领域有着深远的影响,而且,对分子概念的正确认识和深化是和19世纪这些概念的产生是分不开的。
但是新的学说的出现总不是一帆风顺的,范特霍夫提出的学说遭到了强烈的批判,但是无论怎么样,甲烷正四面体结构由近代X-射线和电子衍射的进一步证明,因为H-C-H的键角就为109°
28′,我在高中刚学立体几何的时候也随便计算过正四面体中心和两顶点形成的夹角就是109°
28′,这也证明甲烷分子是一个正四面体的立体结构。
化学键概念的诞生
上个世纪初期人类发现了原子核和电子,但是电子在化学反应中所起的作用,也就是对化学键本性的认识,却是到了20年代末期以后了。
先是路易斯八隅体学说,这时候甲烷的分子结构变为
。
但是对于化学键更深入的认识是将量子力学引入到化学研究中后的事情了。
量子化学的诞生
被誉为数学王子的高斯说:
“科学规律只存在于数学之中,化学不在精密科学之列。
”听到这话的阿伏伽德罗不高兴了:
“数学虽然是自然科学之王,但如果没有其他学科,数学就会失去他的真正价值。
”此话惹得高斯这位数学权威竟发起怒来:
“对数学来说,化学充其量只能起一个奴仆的作用。
”阿伏加德罗并没有被压服,他使用实验事实进一步来证实自己的观点。
他十分自豪地说:
“请看吧,只要化学愿意,它就能使1加1不等于2。
数学能做到这一点吗?
”
虽然阿伏伽德罗这么反驳貌似占了上风,但是没有数学支撑的科学的确毫无严密性可言,如果化学没有数学作为自己的支持从而建立起一套严密完整的体系,而只是那种以实验为基础的经验式和总结式的科学,那么这个学科将毫无希望可言。
20世纪20年代末至30年代中是量子力学和化学结合的初期,而这一事件的发展历史就可以看作是人类对化学键理论深入认识的历史。
价健理论的主要创立者是美国量子化学家莱纳斯·
卡尔·
鲍林,他一开始就力图将量子力学和化学结构问题紧密结合,鲍林在接受路易斯化学键电子理论,吸收海森堡量子共振概念以及伦敦和海特勒对氢分子结构近似处理的启发逐步建立起价健理论,提出了电子对键的六条规则,解决了碳原子四面体构型的问题,建立了杂化轨道理论。
鲍林所著的《化学键的本质》一书详细的记述了他的价健理论。
人们已经知道甲烷分子是正四面体的构型,杂化轨道理论给了这个构型理论的解释,至此人们算是知其然同时也知其所以然了。
我在这句话中用了“算是”两个字,因为我认为这并不是什么好的理论,这个理论完全就是为了解释而解释,包括鲍林的共振理论,简直就是为了解释而解释,而人们也在自己想不明白的时候来用一下共振论为了解释而解释,虽然杂化轨道理论运用了量子力学,鲍林也建立起了杂化键轨道波函数,但是这理论并不是能解释所有的实验现象,而且有大量的假设,只不过是大部分情况下很好的符合实验结果而已(当然包括量子力学在内,我们无法证明这种理论本身是正确的,只能通过实验去检验其正确性。
)
后来,缪立肯从分子整体性出发,重视分子中电子运动状况,以分子轨道的概念来克服加减理论中强调电子配对所造成的电子波函数难于进行数学计算的缺点,建立了分子轨道理论。
分子轨道理论处理分子结构的结果与分子光谱数据吻合,因此在20世纪50年代逐渐取代价健理论,但是随着计算科学的高速发展,又给了价健理论一个复兴的机会。
虽然如今化学已经发展到了一个相当的高度,但是人们还是对一些更深入更根本的问题无法理解,无论是价健理论还是分子轨道理论都只不过是化学终极理论发展道路中的两种近似理论,就像现阶段牛顿力学对量子力学和相对论是一种宏观低速的近似一样。
在最后我想说化学不应该仅仅被认为是实验的科学,即便以实验经验总结出来的化学在当今为人类的发展和社会的进步起了不可磨灭的贡献,但是对于跟深入的化学理论的探求,仍然应该作为今后化学家们不懈努力为之奋斗的目标。
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