20世纪的科学怪杰鲍林-第27章

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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。
　　鲍林的知名度随着每一篇论文的发表而增长着。1932年春天，他接受了斯莱特的邀请，以访问教授的身份到麻省理工学院讲学一学期，而把再过3个月就要临产的爱娃留在了帕萨迪纳，这是爱娃第三次怀孕。他在东部访问期间，马不停蹄，不管是在讲座上，还是在餐桌上，不断地向哈佛一麻省理工学院化学界的一些重要人物灌输他的新思想。在和加州理工学院的一位同事唐·尤斯特共同设计出一种估算单纯共价键理论强度的体系后，鲍林一直在思考估算分子中离子键和分子键相对强度的方法。在掌握了新的数字之后，鲍林就可以把自己从理论上推出的数字与不同元素结合成化合物时的实际状态加以比较。化学键的实际强度总大于理论预测——鲍林认为，增加的能量来自于离子键共振所产生的稳定效果。这种差异越大，化学键的离子性就越大，两个元素吸引电子能力的差别就越大。运用这一体系，就可以回答一些以前悬而未决的问题，如盐酸HCl是离子的，还是共价的——鲍林发现两者兼而有之，比例为20：80。
　　鲍林在坎布里奇的另一个成果应该归功于生物学。鲍林在加州理工学院时就坚持参加生物学讨论会。他看到，遗传学家通过测量两个独立的特性同时遗传的频率来定出基因在染色体上的位置：两个基因的位置越近，在遗传时联系在一起的机会就越大，这使他兴趣盎然。鲍林借助这一定位的思想来创建他自己关于元素对之间关系的标尺。根据他的计算，如果两个原子之间化学键的离子性越强，它们吸引电子能力的差异就越大，在他的标尺上分得就越开。比如说氟——对电子吸引力最大的一种元素——就在标尺的尽头。锂则在另一头。这两种元素形成的化合物，氟化锂的化学键几乎是百分之百的离子键。碘在鲍林的标尺上处于中游的位置，因此碘化锂的化学键具有较强的共价性。在比较了一些这样的元素对后，就能够定出一种相对的特性，他称之为电负性，并给不同的元素赋予不同的值。反过来，这些值又可以用来为许多分子预测化学键的类型和强度，包括那些尚没有获得实验数据的分子。在麻省理工学院讲课期间，他把这一思想写成了一篇论文，成为“化学键的本质”系列中的又一力作。完成之后没过几天，他匆匆登上返回帕萨迪纳的火车，在5月30日赶到家中。第二天，他的女儿琳达·海伦就出世了。
　　鲍林的电负性标尺是他提出的理论基础最不扎实然而却最具影响力的思想之一。它与严密的量子力学距离甚远，但是很容易被化学家所理解。他们觉得用它来解决实际问题非常实用。在他的表格中比较两个元素的电负性，即使对波函数一窍不通的研究人员也可以大致地预测元素之间化学键的性质。这一标尺很快地得到了推广和运用。鲍林将经验数据与量子力学的思想融会贯通、互相匹配的做法充满了想象力，但是却相当危险。每朝前迈一步，他都要新增加几个假设，离已被接受的理论的坚实地基就越远。多年以后，批评家会对他这一方法的合理性进行猛烈的抨击，使他难以招架，不过现在他做的每一件事情都非常成功。
　　不过，也有美中不足的地方。鲍林作了一个大胆的假设，认为氟的电负性非常高，甚至可以和氙这样的惰性气体形成化合物。任何一种情性气体都被认为是不会发生化学反应的，创造一种氙的化合物可以说是创造了历史。需要用实验来证明他的预测。纯氙非常罕见，不过鲍林设法从一位同事那里拿到了一些交给尤斯特。尤斯特在整个1933年的夏天都在寻找鲍林预测的化合物，但是一无所获——这一失败让鲍林感到颇有些疑惑和难堪。我们不能确定尤斯特没能找到鲍林寻找的化合物的原因。然而30年之后，另一个研究小组合成了鲍林预测的氙化合物，轰动了全球。
　　鲍林运用他的共振思想解决了有机化学中一个最古老的问题，从而使这种理论威名远扬了。
　　苯一直是一个谜。它含有6个碳原子和6个氢原子，但是苯分子的结构一直令人难以琢磨。在1932年和1933年之交的冬天，鲍林和他的学生乔治·韦兰德着手以共振的概念来解决这一问题。到了春天，他们完成了一篇论文，也就是鲍林化学键论文系列的第五篇文章，其中苯被描述为在5种极端结构或“典型”结构中共振的情况。鲍林写道：“这一分子可以看作是单个分子性质的一种平均。”鲍林和韦兰德的方法看来很能说明问题：根据他们共振结构计算出来的值，与已知的分子结构、活性和稳定性相当吻合。接着，他们把这一方法推广到其他的芳香族分子如萘（不少于42个典型结构）和不合碳化氢的原子团中。
　　鲍林关于苯分子结构的论文标志着他进入有机化学的重要一步。他许多后续的工作都是关于有机分子的，而乔治·韦兰德更是将其作为自己科学生命的核心，并在1944年出版了一本颇有影响的教材《共振理论及其在有机化学中的应用》。韦兰德把这本书献给“我最初的和最大的灵感源泉”，莱纳斯·鲍林。
　　共振这一强大的思想犹如怒放的鲜花。鲍林在1933年与博士后杰克·谢尔曼合作撰写了化学键本质论文系列的最后两篇，将这一思想扩展到了更多的化学疑案上，如传统的单键、双键和三键的变异。这一工作也具有独创性。鲍林证明，分子化学键并不一定是整数个，可以采取一种中间的形式。在此，他又一次将自己日益丰富的有关化学键长度和强度的知识与共振稳定性的思想结合了起来，又一次对一整类化学问题给出了独到的解释。比如说，化学家已经知道，以单键键合的原子可以像车轮一样绕轴旋转，而以双键和三键键合的分子则不能转动；鲍林提出，在单键和双键之间的中间形式——他称之为“部分双键特性”——也不能转动，这是预测分子结构的一个重要因素。鲍林用量子力学的概念解释了这种固定性，然后用自己关于单键和双键之间的共振思想解释了一些中间形式的键长和旋转特性。
　　全部化学开始在鲍林的头脑中重新组合。他像一个爵士音乐家，从量子力学那里获取一个主旋律，然后即兴地对此进行半经验的变奏。鲍林的化学是一种新的化学，处于旧化学各种学科的中间地带。鲍林的量子化学不是一种非此即被的关系：要么是这条轨道，要么是那条轨道，要么是离子键，要么是共价键，要么是单键，要么是双键。鲍林的化学键是一种流体，一种常常在中间态共振的不定型的东西。鲍林第一个奏出了这一优美动听、令人激动的旋律。
　　乐观主义者
　　在30年代早期，鲍林以每五个星期一篇的速度发表了许多重要论文，多数是关于化学键或新的分子结构，几乎完全脱离了波动方程：“大约在1933年或1934年，我放弃了对分子结构进行非常复杂的量