化学小论文

化学键的历史与发展

彭超

摘要：化学键理论是现代化学的重要基础理论之一，它从微观上解释了物质分子以及原子间的结构和结合方式，从而使化学家们能够定性地解释物质的物理性质和化学性质。化学键理论的历史与发展是近代化学发展的一个缩影，通过对化学键历史的研究与反思，我们能够把握更深刻科学的研究方法。

关键词：化学键；历史；量子；物质结构

人类自从有历史以来，就对身边的各种自然界的物质充满了兴趣，石器时代的人类通过打磨石头制造工具，他们就对石头的构造满怀好奇，以至于到后面的青铜时代，铁器时代，人们都会有这样的疑问：物质是由什么构成的？是什么能把诸如铁粉、沙子一样细碎的东西结合成坚硬的铁块、石头？

而当科学发展到今天，我们都已经知晓问题的答案，物质是由各种元素组合而成的原子，离子或者分子构成的，而各种微粒间的结合力使这些原本离散的微粒结合成一个整体。我们现在得出的答案便是先人们经过不懈努力，不断修正得到的结果。让我们回顾历史，追寻先辈们探索物质与化学键的历程。

一．化学键的发展历史

1.1近代以前

人类在古代便对物质的结合进行过种种的探讨。中国古代春秋时期（公元前770-公元前476）的史书《国语》曾经记载，“夫和生实物，同则不继”，“故先王以土与金杂以成百物”，认为互异的食物才能够相互结合成万物。而欧洲古希腊哲学家恩培多克勒则确立了土、气、火与水四种原素（虽然他不曾使用“原素”这个名字）。其中每一种都是永恒的，但是它们可以以不同的比例混合起来，这样，便产生了我们在世界上所发现的种种变化着的复杂物质。它们被爱结合起来，又被斗争分离开来。爱与斗争对于恩培多克勒来说，乃是与土、气、火、水同属一级的原始原质。德谟克利特则用原子的漩涡运动说明原子的聚集和分散。中世

纪的J.R.格劳伯（1604～1670）提出了物质同类相亲、异类相斥的思想。其后还出现了关于物质结合的亲和力说，认为物质的微粒具有亲和力，由此互相吸引而结合在一起。可以看出，这个阶段中发展的化学键观点主要是建立在主观意识上的推测认识。而在东北师范大学的廖正衡教授看来，“这一阶段认识的特点，是带有猜测性和笼统性的，并且夹杂着‘万物有灵’的神秘的情感色彩，还不是科学上的认识。”[1]

1.2力学阶段[1]

这一阶段的自然科学，主要是以牛顿的经典力学为中心发展起来的。因此，人们对于亲和力的认识，也就自然地带有着机械的，力学的特征。近代化学的奠基人波义耳（Robert Boyle,1626-1691）就曾以物质微粒间存在着钩、齿、棘的相互咬合来说明亲和力的本质，从而摒弃了传统的“爱”和“憎”的超物质观念，是一个很大进步。牛顿则认为，物质微粒间也和天体之间一样，存在着类似于万有引力的力使其相互结合，进而摒弃了不自然的钩、齿、棘等机械观念，把机械的、静力学的图像转变为动力学的图像。[1]

到了燃素学说时期以后，一些化学家开始进行了较为具体和深入的研究。1718年，法国化学家曰夫鲁瓦（Etienne Fraecois Geoffroy,1672-1731）比较系统地探讨了一种酸能否从盐中置换出另一种酸等规律，提出了一张酸和碱的亲和力大小的比较表。此后，燃素学说的创始人施塔尔（1720年）和瑞典化学家贝格曼（1775年）等人又进一步研究了亲和力表，并试图用力学的原理，以比较的观点说明亲和力的性质。此外，德国化学家宋温尔（1777年）和法国化学家贝托雷（1790年）还分别从浓度和质量的角度讨论了化学亲和力，对它从内外两个方面的因素进行了较为全面的考察。

这一阶段认识的特点，主要是以物质间的引力取代了神秘的“爱力”或“憎力”，并以对于物质的微粒之间引力的科学探讨取代了对于物质间结合的笼统猜想，具有很大的进展。但是，它把复杂的化学结合只是归结于万有引力和一张亲和力表，又过于简单化了。[1]

1.3化合价的出现

当时间进入到十九世纪，随着电学的兴起，电的作用也被引入了化学领域。

在1812年，受到电池与电解的启发，瑞典化学家贝采尼乌斯提出了电化二元论。他认为化学亲和力的本质是库仑力。这个理论在当时能够说明当时已经发现的大部分无机物，但对有机物却无能为力。为了解释有机分子的构造和分子结构，逐步发展了取代学说、基理论、核理论、类型论。初步地从形式上研究了分子中原子的排列即分子结构问题和在分子中原子或者基相互取代或结合时具有一定的数量关系的问题。取代说谈到“没失去一个氢原子，就

获得一个氯、溴、碘原子或者1/2个氧原子”时，已经隐含了化合价的概念。[2] 1865年，德国人维西尔哈斯将类似于现在化合价概念的术语统一为“价”（valence）,一直沿用至今。

自从十九世纪中下叶提出化合价的概念，立即成为化学家认识分子结构和组成的有力武器。1858年德国的凯库勒提出了碳的四价和碳原子间的相互成键的学说。[3]凯库勒的学说解释了开链和闭链分子的形成。同分异构体、顺反异构、旋光异构的发现和解释导致了1861年俄国的布特列洛夫提出了化学结构的概念，1874年荷兰的范特霍夫和法国的勒贝尔分别提出了碳原子的四个价键指向四面体顶点的假设。

而后，化合价进军离子领域。1887年，提出溶液电解理论的瑞典化学家阿伦尼乌斯认为食盐溶解于水中能解离成大量的钠离子和氯离子，溶解前仍然是NaCl分子。但1913年英国的布拉格用x射线衍射法测定了NaCl和KCl的晶体结构，发现并无单个分子，而是Na+和Cl-在空间周期的无线结构。德国的物理学家科赛尔（Walther Kossel,1885-1956）经过测定许多有代表性化合物离子所带电子数，于1916年发现金属和非金属的原子在失去（或得到）电子以后，就达到了惰性气体某元素的电子构型而形成稳定的离子，在此基础上，科赛尔提出了阴阳离子相互靠近产生静电力而形成离子键的离子键理论。

针对非离子型的化合物的形成过程，美国的路易斯(Gilbert Newton Lewis,1875-1946)发展了科赛尔的理论，于1916年提出：原子之间可以共用一对或多对电子，到达“八隅体稳定状态”，1918年美国的朗缪尔首次把这种共用电子对的价键称为共价键，认为共用电子对分别由双方的原子各提供一个电子而成，双键有4个电子，三键有6个电子，并属于特定的两个原子[2]

与前述的离子理论一样，共价电子理论虽然把电子论引进了，但还是一种静态的观点，没有从运动中阐明问题，没能说明化学键的本质。[2]共价电子理论比较成功地解释了甲烷，氨等实验现象，但不能解释不符合八隅体架构的分子，如PCl5、BCl3等。不过化合价及其理论的出现明显促进了现代化学的发展，使在这之后的化学键研究方向大步迈向电子化。

1.4量子力学和现代化学键理论

量子力学的建立使我们能更深刻地理解原子结构。而原子的化学行为决定于核外电子的运动状态，尤其决定最外层电子的运动状态。这里，原子从古代及近代不可分达到了原子是有结构的观点，原子观点的进化正是以波浪式前进，螺旋式上升的辩证的否定方式进行的，原子构成分子何以成为可能便可从原子的构成来理解。[3]