化学自习室移动版

     龟兔赛跑是我们耳熟能详的故事，龟能赢兔在我们的心中一般是偶然的事件。只要兔子觉醒了，乌龟赢的可能性非常小。然而，在科学界两大理论间的赛跑，其结果却可能是慢跑的“乌龟”永远占了上风。

     初具化学知识的人都知道，物质都是原子构成的，原子之间存在化学键。化学键可分为离子键、共价键、金属键三种。比如，我们常吃的盐（氯化钠，NaCl）中氯与钠之间的键是离子键；水分子（H2O）中氢与氧之间形成的键是共价键；而金属铁（Fe）原子间的键是金属键。物质不同，键的类型不同。这些键的本质是什么？又该如何解释呢？对于这一科学问题的理解，在历史上曾引发了两个化学键理论之间长达几十年的争论。

     争论的发端

     美国化学家鲍林（1901-1994）是当代最负盛名的化学家之一，也是惟一两次单独荣获诺贝尔奖的科学家。1954年，他因研究化学键的本质、晶体和蛋白质结构有重大贡献，获得诺贝尔化学奖（另外1962年还获得一次诺贝尔和平奖）。而马利肯（1896-1986）是美国物理化学家，1966年因“用量子力学创立了化学结构分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构”的贡献而获得诺贝尔化学奖。与他们获得诺贝尔奖的顺序一样，两位科学家所提出的理论被人们接受和认可的过程就像龟兔赛跑一样，是一场速度与毅力的较量。

    1931年，鲍林基于量子理论创造了价键理论。其核心是分子是不同原子的叠合体。原子与原子之间通过键联结，而键是由定位于两个原子核之间的若干个电子形成的。键的数目等于元素的价数，比如在NaCl分了中，Na为＋1价，而Cl为-1价，化学键的数目为1。鲍林学派又被称为价键学派。价键理论着眼点在于成键原子间最外层轨道中未成对的电子在形成化学键时的贡献，可成功解释共价分子的空间构型。

     但价键理论没有考虑成键原子的内层电子在成键时的贡献，而内外层电子同时考虑显然更符合成键的实际情况。1932年，美国化学家马利肯和德国化学家洪德提出了一种新的共价键理论——分子轨道理论。在马利肯看来，分子并不是由不同的原子通过不同的键联结起来的聚集体，而是一个不可分割的整体，其特有的性态只能从分子本身来加以解释。通过研究分子吸收和发射光谱，他相信不应把键结电子看作是固定在某个位置上的，而应看作分布在整个表面上，这样才能更好地解释分子的性态。借用美国女作家斯泰因的话来概括分子轨道理论：“分子的定义是：分子就是分子。”

     乱花渐欲迷人眼

     然而，科学理论被接受也需要浅显易懂的语言和能够打动人的魅力，并不是本质正确就易被接受。鲍林是一个极富魅力的演说家，他懂得怎样使化学家接受他的价键理论。鲍林对化学键浅显易懂的解释与其他研究者关于化学键的看法相吻合；而且在当时尚无电子计算机的情况下，除了一些最简单的分子外，一般分子的有关数学计算非常困难，而鲍林善于找出捷径来简化数学运算，他提出一些半经验性的变通办法来避开这种困难。这种简化方法使鲍林理论在20世纪30年代和40年代早期越来越流行。特别在他的专著《化学键的本质》正式出版后，情况更是如此。化学家应用鲍林方法意味着已经涉足于最新的物理理论，而实际上又根本用不着学习物理；他们不费吹灰之力就戴上了应用量子物理的光环。科学家们也在时时追赶潮流。到了40年代，价键理论“就像一只快跑的兔子”，似乎已经征服了整个化学界。

   酒香也怕巷子深

     在这方面，马利肯根本无法与鲍林竞争。一方面由于他的理论的基本概念过于深奥而使很多化学家望而却步，另一方面还因为他是一个蹩脚的信息传播者——太精确、太数学化、太多的严格性，以致使他的理论变得十分枯燥乏味。在芝加哥大学，他讲课的效果极差，使化学系的学生感到厌倦。他深邃的洞察力被笼罩在艰涩阴沉的理论迷雾中，使人摸不着头脑。他的论文大多数发表在与物理有关的杂志上，是很难读懂的。

    在不被人理解的年代里，马利肯只能看着那么多荣誉和奖励落到鲍林的头上。鲍林发表于30年代的一系列关于“化学键的本质”的论文被盛赞为革命性成果，而他自己于同一时期发表的14篇系列文章“多原子分子的电子结构与价”却无人问津。鲍林讲课时教室里人满为患，而学生们对他却避而远之。鲍林获得的邀请和荣誉一个接一个，而他自己却只能呆在芝加哥大学做一个辛辛苦苦的教书匠。相比起来，分子轨道理论“就像一只慢跑的、注定得不到冠军的乌龟”一样受到了冷落。

    更使马利肯感到苦恼的是，鲍林轻视他的理论。鲍林倒并不认为他的理论是错误的，早在1931年鲍林就肯定价键理论和分子轨道理论都是对波动方程的很好的近似，假如深入研究下去，将推导出同样的结论；而且鲍林本人在自己早期的几篇论文里还采用了分子轨道理论的有关概念。但是鲍林却认为价键理论对化学家更实用且更适合于教学，而分子轨道只能把学生搞糊涂。这种轻视在他1935年出版的《量子力学导论》中体现得非常明显。鲍林用了大量篇幅论述价键理论，却只用一小段文字描述分子轨道理论。在《化学键的本质》一书中，也只对马利肯的理论一带而过。

     是金子总要发光

    具有讽刺意味的是，虽然在整个20世纪30年代价键理论都处于惟我独尊的地位，但到了40年代后期，越来越多的化学家及大学化学系的高年级学生不仅理解了量子化学理论，并且开始学习量子力学基础和更多的数学知识，以便在未来的化学研究中取得更好的成果。新一代化学家学到的知识越多，他们就越不需要鲍林的简化方法。他们渴望掌握这一领域中更加定量化的、不依赖于直观的理论。他们在马利肯的分子轨道理论中找到了所需的东西。

     现在人们逐渐看清，经过改进的分子轨道方法是研究复杂分子的更加有效的工具，而价键理论则有较大的任意性。越来越多的化学家产生了这样的感觉：鲍林和他的追随者就像魔术师，为了解释某种分子的性质，可随时从他们的帽子里变出所需的东西。

    二战结束后，当量子化学朝严格的定量化科学发展时，科学家们发现用价键理论对复杂分子的结构进行计算几乎是个可能的事。而在英国一小批影响颇大的量子化学家开始发展马利肯的分子轨道理论，并进行积极推广。

     到20世纪40年代后期，通过两大理论的创始者与追随者对量子化学的艰苦深入的研究，发现分子轨道理论和价键理论的核心内容在本质上是一致的；而分子轨道理论学派为分子的定量化研究提出了更简单、更有用的工具。科学潮流开始从价键理论转向分子轨道理论。

     1948年在法国举行的一次辩论会上，马利肯的发言时间跟鲍林一样长，这个事实本身说明了他的分子轨道理论已经产生了巨大的影响。由于马利肯在分子轨道理论领域里的耐心耕耘与不断完善，他的方法更加适应新一代化学家的需要。辩论结束后，虽未产生什么立竿见影的后果，但它证实了一种发展趋势，即在后来的几十年里，量子化学家将更欢迎分子轨道理论。

      执著的“乌龟”赶上并超过了华丽的“兔子”。