创立共价键说的学者

创立共价键说的学者——路易斯
1875年10月25日路易斯出生于美国麻萨诸塞州的西牛顿市。

他从小聪明过人，在三岁时，父母就开始在家里让他接受教育。

1893年进入著名的哈佛大学学习，1896年获理学士学位，以后在T．W．理查兹指导下继续研究化学，于1899年24岁时获哲学博士学位。

毕业以后，到德国进修，在格丁根大学的能斯特教授和莱比锡大学F．W．奥斯特瓦尔德教授指导下研究热力学。

1901年路易斯回到哈佛大学，任热力学和电化学方面的讲师。

在这一段时间里，他除了研究热力学以外，主要的兴趣是研究价键理论。

在1902年，他向学生讲授原子价概念时，就曾经提出了一种原子模型，他把原子设想成为一个正方体，电子位于各个顶角之上。

但是这只不过是初步设想，而路易斯全面地提出共价键概念则要到1916年。

当时他已经到加州大学伯克利分校担任物理化学教授，他提出了共价键的电子理论，认为两个（或多个）原子可以共有一对或多对电子，以便达到惰性气体原子的电子层结构，从而形成稳定的分子，例如，外层有一个电子的两个氢原子结合成氢分子时：
H·+·H→H∶H
氢分子中的每个氢原子同时享有两个电子，它们的外层电子结构都达到了稳定的氦原子的电子构型；又如外层有七个电子的两个氟原子结合成氟分子时：
在氟分子中，每个氟原子的外层都享有八个电子，达到了稳定的氖原子的电子构型。

上述这种结构的表示方式称为路易斯结构，氯分子的路易斯结构可以形象地用下图表示。

这种共价结合的原子趋向于形成稳定的希有气体原子的电子构型的设想，通常叫做“八隅律”。

路易斯对化学上的另一贡献是提出了以他的姓名命名的酸碱理论——路易斯酸碱理论。

酸碱理论的发展可以追溯到拉瓦锡时代，氧气的发现使拉瓦锡建立了正确的燃烧理论。

在建立这一理论的过程中，拉瓦锡做了不少实验，分析了当时所有的酸（如硫酸、硝酸等），发现其中都含有氧。

于是，他就提出了酸的含氧理论。

他在《燃烧概论》一文中阐明了这一观点：“一般的可燃物质（指非金属）在燃烧以后，通常都变为酸，因此氧是酸的本原，一切酸中都含有氧。

”虽然拉瓦锡没有能够从盐酸中分离出氧，但他认为盐酸中的氧被牢固地结合了，因此，用一般的方法不能把盐酸中的氧分离出来。

尽管作为当时化学大师的拉瓦锡对化学发展做出过重要贡献，在酸的组成问题上，他却错了。

1789年法国化学家贝托雷发现氢氰酸中只含有碳、氢、氮三种元素，并不含有氧；硫化氢也具有酸性，但它却是硫和氢的化合物，也不含氧。

这是第一次向拉瓦锡的“酸的含氧理论”的挑战。

戴维让炭与盐酸气在高温下作用，并未产生二氧化碳，实际上炭与盐酸并未发生反应，从而证明了盐酸中确实不含氧。

1810年戴维提出了大胆的设想，认为只有承认氧化盐酸（当时给氯元素起的一种名称）是一种化学元素，才能使所有的为当时的化学家所解释不通的实验事实得到合理的答案。

他在《化学的哲学基础》一书中写道：“氧化盐酸不是一种含氧的化合物，而是一种化学元素，它和氧气一样能够助燃，因此氧在燃烧中所起的作用不是独一无二的。

另一方面，氧化盐酸并不含氧也间接地证明了盐酸中不含氧。

那么，拉瓦锡所提出的凡是酸都含氧的说法就是不正确的。

”戴维的论述对拉瓦锡的酸碱理论是致命的一击，从此酸的含氧理论就消亡了。

1815年戴维提出，含氢元素的物质都是酸。

但是，不少化学家就此提出了不同的意见，认为这种说法也不够确切，因为除了酸含有氢以外，许多金属氢化物（例如氢化钠NaH）和某种非金属氢化物（例如氨NH3），它们也含有氢，但是却不是酸。

解决这个矛盾的是李比希，他认为酸中的氢元素的特点是它可以被置换。

于是他提出了新的酸的定义：“酸是氢的化合物，但是酸中的氢必须是可以被金属或碱所置换的。

”李比希的酸碱理论在化学界占统治地位达五十年之久。

在这一段时期，化学家对酸碱进行详细研究的结果，发现有的酸很强，例如硫酸很容易与许多金属发生反应；有的酸却很弱，例如醋酸与金属的反应比硫酸要弱得多。

怎样从本质上解释这些现象呢？
1887年阿累尼乌斯提出了电离学说，并将这一理论应用于酸碱。

他将酸定义为一种含氢的物质，当酸溶解在水中时，能够电离产生氢离子和其他阴离子；他将碱定义为含有氢氧根的物质，当碱溶解在水中时，能够电离出氢氧根离子和其他阳离子。

阿累尼乌斯的酸碱理论能够解释许多实验现象，例如，强酸的电离度大，产生的氢离子多，因此与金属反应能力强；弱酸的电离度小，产生的氢离子少，反应能力就弱。

这一理论揭示了酸碱中和反应的本质乃是氢离子与氢氧根离子之间的反应，解释了一切强酸强碱之间的反应热都相同的事实。

阿累尼乌斯的酸碱理论也存在着一些缺点，由于这一理论是以纯物质的水溶液来对酸碱下定义的，所以按照这一理论，纯的无水氯化氢就不能算作酸。

这样，就无法解释在非水溶剂（例如液氨）中发生的酸碱反应，以及在无水状态下熔融盐之间发生的一些酸碱反应。

针对阿累尼乌斯酸碱理论的弱点，1923年布朗斯特丹和劳莱各自独立地提
出：酸是能够放出质子的物质；碱是能够接受质子的物质，酸碱之间存在着以下平衡关系：
这就是著名的布朗斯特-劳莱酸碱质子理论。

在以下反应中：
布朗斯特碱布朗斯特酸布朗斯特酸布朗斯特碱
当CN-起着布朗斯特碱的作用时，必有H2O起着布朗斯特酸的作用，HCN和OH-之间的关系也是如此。

这些酸碱通常被称为共轭酸碱对。

酸碱质子理论的特点是，不把某一给定的化合物划分为酸或碱，而是必须在它们参加某一化学反应时，才能确定它们到底是酸？还是碱，例如有下列两个反应：
H2O+HCl H3O++Cl-（1）
H2O+NH3NH4++OH-（2）
在反应（1）中，HCl给出质子的能力比H2O强，所以H2O从HCl那里接受一个质子而表现为碱；但在反应（2）中，H2O给出质子的能力比NH3强，这时H2O 又表现为酸。

由此可见，H2O在两个反应中充当着不同的角色，一个是酸；一个是碱，这就是酸碱质子理论的特点，酸碱概念都具有相对的意义，而不是绝对的。

这一理论解释了无水氯化氢在某些反应中可以当作酸而无需水的存在，同时也解释了非水溶剂中的酸碱反应。

但是，不管是阿累尼乌斯的酸碱理论，还是酸碱质子理论，都是把酸的分类局限于含氢的物质。

这种限制使得在性质上与酸表现相似的一些物质不能被认为是酸，例如，根据上述两种理论，SO3，SiO2，CO2，BCl3，BF3，都不是酸，因为这些物质中不含氢，既无法在水溶液中电离出氢离子，也不具备给出质子的能力。

但是它们确实能够发生酸碱反应，例如SO3能与Na2O发生以下酸碱反应：
SO3+Na2O=Na2SO4
显然，SO3在反应中起着酸的作用。

同样BCl3也能与NH3发生酸碱反应：
BCl3+NH3=BCl3·NH3
这里，BCl3虽然不含氢，但也起着酸的作用。

路易斯认识到，这种局限性的产生是由于有一种特定的元素（氢）在起着作用。

所以他指出：“把酸类局限为那些含氢的物质，就像把氧化剂这个名词局限为含氧的物质那样（实际上，许多氧化剂如氟、氯、溴等都不含氧），严重地妨碍着对化学的系统的理解。

”
1923年路易斯提出了一个概括性更强的酸碱理论（当时未为化学界接受）：“酸是电子对的接受体；碱是电子对的给予体。

酸碱反应涉及到电子对给予体和电子对接受体之间形成配位共价键。

”他认为在最外能级中具有未共用电子对的任何物质都可以作为碱；而具有有效空轨道的任何物质都可以作为酸。

后人把具有上述概念的碱和酸称为路易斯碱和路易斯酸。

路易斯酸不一定都含有氢，例如在BCl3与NH3的反应中，硼原子具有有效的空轨道，BCl3就是路易斯酸。

NH3中氮原子的最外能级中有未共用的电子对，因此NH3是路易斯碱。

它们之间发生了以下反应：
而作为路易斯酸的SO3与作为路易斯碱的Na2O之间的反应也获得了合理的解释：
尽管路易斯酸碱理论并不完善，但是在扩大酸碱的范围上，使化学反应研究的系统化上却起了一定的作用。

路易斯还对重氢和重水进行了研究。

重氢是1932年由路易斯的学生尤里发现的，后者曾经指出，也许可以用电解水的方法来制取重氢。

1937年路易斯制取出几乎是纯净的重氢，并且研究了重水和重氢的化合物的特性。

他还与劳伦斯
美共同研究在迴旋加速器中重氢发生的核反应。

1912年以后，路易斯的余生都是在加州大学伯克利分校度过的，他曾经担任该校化学系主任，他在领导化学系期间，要求这个系在教学和研究两个方面都做得非常出色。

他要求所有的教员都参加普通化学课程的教学工作，有一段时间，系里一共有八位正教授担负了一年级新生的课程。

该校还有好几位教授领导编辑著名的《美国化学教育》杂志。

在路易斯领导下，加利福尼亚大学伯克利分校化学系在美国享有很高的声誉。

虽然路易斯本人并没有获得诺贝尔奖金，但是，在他所领导的研究生中一共
有五个人先后获得诺贝尔奖金，他们是：尤里获1934年诺贝尔化学奖；乔克美获1949年诺贝尔化学奖；西博格美获1951年诺贝尔化学奖；利比美获1960年诺贝尔化学奖；开尔文美获1961年诺贝尔化学奖。

1945年路易斯退休，一年以后，于1946年3月23日在伯克利逝世，享年71岁。

丹麦物理化学家，曾在哥本哈根大学任教，后来任该校物理化学研究所所长。

美国物理学家，曾在加州大学伯克利分校任教，1939年获诺贝尔物理奖。

美国物理化学家，曾在加州大学波莱吉分校任教，研究超低温下的各种实验及其应用。

美国放射化学家，曾任加州大学教授，发现镎、钚、镅、锔、锫。

美国放射化学家，曾任加州大学教授，发明用碳-14测定历史年代。

美国化学家，曾任加州大学教授，研究光合作用的化学过程。

资源来自
《化学重要史书》袁翰青应礼文合编人民教育出版社2000年6月第一版
/Resource/GZ/GZHX/HXBL/HXZYSS/20000060ZW_0060.htm。