刘 禹,李永乐,任 伟

(上海大学理学院量子与分子结构国际研究中心, 上海 200444)

1 化学键历史简介

化学键是描述分子结构、化学反应等化学现象的关键成分之一, 如何正确描述化学键, 在化学研究中具有举足轻重的地位. 人们对于化学键的探索, 最早可以追溯到公元前. 早在公元前410 年, 希腊哲学家德谟克利特(Democritus)将化学键假想为钩子的形状, 认为固体间的原子就是通过保持钩子形状连接在一起的[1]. 在8 世纪中叶, 中国古人在书中记载, 水是由阴气和阳气紧密结合, 故难以被分解[2]. 图1 选自牛顿Opticks一书, 牛顿在18 世纪初认为粒子与粒子由某种力结合, 该种力在粒子靠近时极强, 之后使各粒子稳定在一定的距离上[3].

图1 牛顿Opticks 中的关于化学键的表述Fig.1 Depiction of chemical bonds in Opticks by Newton

在18～19 世纪, 有多位化学家对化学键的表述方式提出过自己的观点. 如Higgins 等[4]在1789 年提出用分力理论来解释化学键的强弱; Frankland[5]和Couper[6]都认为化学键的性质会受两端原子性质的影响.

1861 年, Loschmidt[7]首次对不同化学键做了具体的定性定量描述(见图2), 他用不同大小的圆圈组合代表不同的原子, 详细解释了不同原子间形成单键、双键和三键的过程, 如小圆是氢原子, 大圆是碳原子, 氧原子和氮原子分别用2 个圆圈和3 个圆圈描述. 一些分子, 如图2 中的70 号和117 号, 可以明显分辨出是CH2CHCHO 和CH3CONH2. Boltzmann[8]在1898 年提出的理论中认为, 原子的外层有活性区域, 只有当活性区域接近或重合时, 才能产生化学键用以连接对应的原子.

图2 Loschmidt 用圆圈对化学键的描述Fig.2 Loschmidt indicated circles to demonstrate various chemical bonds

Lewis[9]在1916 年发表……