程學(xué)禮

(泰山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系，山東泰安 271021)

鮑林(Linus Carl Pauling，1901－1994)，量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的先驅(qū)者［1］，1954年因在化學(xué)鍵方面的工作獲得諾貝爾化學(xué)獎，1962年因反對核彈在地面測試而獲得諾貝爾和平獎.他是唯一一個單獨兩次獲諾貝爾獎的人.他在化學(xué)的多個領(lǐng)域都有過重大貢獻.他提出了許多理論和概念，如電負性、共振理論、價鍵理論、雜化軌道、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)等，享有很高的國際聲譽.隨著現(xiàn)代化學(xué)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)化學(xué)觀點不僅滲透到化學(xué)各個分支學(xué)科領(lǐng)域，同時在生物、材料、礦冶、地質(zhì)等技術(shù)科學(xué)中也得到應(yīng)用;量子化學(xué)也已經(jīng)成為化學(xué)家們廣泛應(yīng)用的一種理論方法.同時，鮑林也是化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)最多的人物之一.2011年恰逢鮑林誕辰110周年，在倡導(dǎo)素質(zhì)教育和科學(xué)創(chuàng)新的今天，有必要對這位化學(xué)大師的科學(xué)成就和科學(xué)思想做一個介紹，以期對當(dāng)代的大學(xué)生和科研工作者帶來啟示.

1 鮑林的主要科學(xué)成就

鮑林創(chuàng)造性地提出了許多新的概念.例如，共價半徑、金屬半徑、電負性標(biāo)度等，這些概念的應(yīng)用，對現(xiàn)代化學(xué)、凝聚態(tài)物理的發(fā)展都有巨大意義.

1.1 價鍵理論［2］

創(chuàng)建了近代化學(xué)鍵理論，揭示了化學(xué)鍵的本質(zhì)，倍受科學(xué)家關(guān)注［3－5］，直到現(xiàn)在仍對科學(xué)家的思想有著重要影響［6］.鮑林自1930年開始致力于化學(xué)鍵的研究，1931年2月發(fā)表價鍵理論，此后陸續(xù)發(fā)表相關(guān)論文，1939年出版了在化學(xué)史上有劃時代意義的《化學(xué)鍵的本質(zhì)》一書，完善了價鍵理論，提出了電子對鍵的六條規(guī)則［7］.這部書徹底改變了人們對化學(xué)鍵的認識，將其從直觀的、臆想的概念升華為定量的和理性的高度.由于鮑林在化學(xué)鍵本質(zhì)以及復(fù)雜化合物物質(zhì)結(jié)構(gòu)闡釋方面杰出的貢獻，他贏得了1954年諾貝爾化學(xué)獎.鮑林對化學(xué)鍵本質(zhì)的研究，引申出了廣泛使用的雜化軌道概念.雜化軌道理論認為，在形成化學(xué)鍵的過程中，原子軌道自身回重新組合，形成雜化軌道，以獲得最佳的成鍵效果.根據(jù)雜化軌道理論，飽和碳原子的四個價層電子軌道，即一個2S軌道和三個2p軌道線性組合成四個完全對等的sp3雜化軌道，量子力學(xué)計算顯示這四個雜化軌道在空間上形成正四面體，從而成功的解釋了碳的正四面體結(jié)構(gòu).直到今天，鮑林的鍵焓假設(shè)仍然是熱力學(xué)的基本理論［8］.

1.2 電負性

最早提出了“電負性”的概念［9］.鮑林在研究化學(xué)鍵鍵能的過程中發(fā)現(xiàn)，對于同核雙原子分子，化學(xué)鍵的鍵能會隨著原子序數(shù)的變化而發(fā)生變化，為了半定量或定性描述各種化學(xué)鍵的鍵能以及其變化趨勢，鮑林于1932年首先提出了用以描述原子核對電子吸引能力的電負性概念，并且提出了定量衡量原子電負性的計算公式.電負性這一概念簡單、直觀、物理意義明確并且不失準(zhǔn)確性，至今仍獲得廣泛應(yīng)用，是描述元素化學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)之一［10］.

1.3 共振論

最早把“共振”這一概念應(yīng)用于化學(xué)鍵中.鮑林提出的共振論是20世紀(jì)最受爭議的化學(xué)理論［11］，也是有機化學(xué)結(jié)構(gòu)基本理論之一［12－13］.為了求解復(fù)雜分子體系化學(xué)鍵的薛定諤方程，鮑林使用了變分法.在原子核位置不變的前提下，提出體系所有可能的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，寫出每個結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的波函數(shù)，將體系真實的波函數(shù)表示為所有可能結(jié)構(gòu)波函數(shù)的線性組合，經(jīng)過變分法處理后，得到體系總能量最低的波函數(shù)形式.這樣，體系的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)就表示成為若干種不同結(jié)構(gòu)的雜化體，為了形象地解釋這種計算結(jié)果的物理意義，鮑林提出共振論，即體系的真實電子狀態(tài)是介于這些可能狀態(tài)之間的一種狀態(tài)，分子是在不同化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)之間共振的［14］.鮑林將共振論用于對苯分子結(jié)構(gòu)的解釋獲得成功，使得共振論成為有機化學(xué)結(jié)構(gòu)基本理論.蘇聯(lián)和中國等共產(chǎn)主義國家出于意識形態(tài)的考慮，曾對共振論、現(xiàn)代遺傳學(xué)等科學(xué)理論展開政治批判，共振論被作為唯心主義的典型加以批判［15］.有機化學(xué)領(lǐng)域，共振論一直是解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是共軛體系電子結(jié)構(gòu)的有力工具.

1.4 生物大分子結(jié)構(gòu)和功能［16－17］

最早提出了蛋白質(zhì)由多肽組成，并且具有螺旋結(jié)構(gòu).二十世紀(jì)三十年代中期，隨著加州理工學(xué)院加強其在生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，鮑林得以接觸一批生物學(xué)大師，期間鮑林對他原本沒有興趣的生物大分子結(jié)構(gòu)研究產(chǎn)生了興趣［18－19］.鮑林在生物大分子領(lǐng)域最初的工作是對血紅蛋白結(jié)構(gòu)的確定，并且通過實驗首先證實，在得氧和失氧狀態(tài)下，血紅蛋白的結(jié)構(gòu)是不同的，為了進一步精確測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，鮑林首先想到他早期從事的X－射線衍射晶體結(jié)構(gòu)測試的方法，他將這種方法引入到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定中來，并且推導(dǎo)了經(jīng)衍射圖譜計算蛋白質(zhì)中重原子坐標(biāo)的公式.結(jié)合血紅蛋白的晶體衍射圖譜，鮑林提出蛋白質(zhì)中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的，這就是最早的α螺旋結(jié)構(gòu)模型，有科學(xué)史學(xué)者認為沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型就是受到了鮑林的影響，而鮑林之所以沒有提出雙螺旋，是因為他受到美國麥卡錫主義的影響，錯過了一次在英國舉行的學(xué)術(shù)會議，沒有能夠看到一幅重要的DNA晶體衍射圖譜.1951年鮑林結(jié)合他在血紅蛋白進行的實驗研究，以及對肽鏈和肽平面化學(xué)結(jié)構(gòu)的理論研究，提出了α螺旋和β折疊是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)建單元的理論.這一理論成為20世紀(jì)生物化學(xué)若干基本理論之一，影響深遠［20］.此外，鮑林還提出了酶催化反應(yīng)的機理、抗原與抗體結(jié)構(gòu)互補性原理以及DNA復(fù)制過程中的互補性原理，這些理論在20世紀(jì)的生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都扮演了非常重要的角色.

1.5 發(fā)現(xiàn)錫錫鍵［20］

1983年11月3日，美國《新科學(xué)家》雜志報道鮑林發(fā)現(xiàn)了新化學(xué)鍵——錫錫鍵.鮑林新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)鍵，屬于金屬與金屬之間的結(jié)合，稱為錫錫鍵.錫錫鍵的鍵長比單鍵短，比雙鍵長，鍵能介于單雙鍵之間，它比單鍵穩(wěn)定.

2 鮑林的創(chuàng)新方法

鮑林是一位化學(xué)大師，他對化學(xué)的卓越貢獻和對化學(xué)真知不懈探索中隱含著他的科學(xué)方法和創(chuàng)新思想.上文提及的偉大科學(xué)發(fā)現(xiàn)說明他是一個博學(xué)而勤奮的人，這些成就改變了后半世紀(jì)自然科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，從中我們可以得到了很多啟示.

2.1 永不認輸?shù)目茖W(xué)精神

在鮑林晚年，由于對維生素C的偏愛，這位“最受尊敬”的科學(xué)家卻犯了一個影響很大的錯誤而受到醫(yī)學(xué)權(quán)威們的激烈反對［21］.鮑林于1970年出版了《維生素C與普通感冒》一書，提出了一種缺乏科學(xué)根據(jù)的學(xué)說，認為維生素是具有防止感冒、抗癌癥等功能的藥物，主張大劑量服用.“維生素神話”表現(xiàn)出鮑林從不服輸?shù)木瘢踔劣行┕虉?zhí)和偏執(zhí).再比如，鮑林把共振概念引入化學(xué)，形成了共振論，從而完善了量子力學(xué)與經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論的聯(lián)接，但引起了科學(xué)史家的極大關(guān)注和爭議、誤解.鮑林堅信自己的觀點是正確的，最終是共振論得到認可，也表現(xiàn)出他意志堅定、執(zhí)著自信的科學(xué)精神［22］.同時，鮑林堅決反對把科技成果用于戰(zhàn)爭，特別反對核戰(zhàn)爭，并進行堅持不懈的斗爭，也表現(xiàn)出他的這種工作態(tài)度和科學(xué)精神.

2.2 勇于創(chuàng)造的探索精神

鮑林關(guān)于共振論的研究方法不同于傳統(tǒng)的科學(xué)方法.他明確地抓住了海森堡介紹的共振的意義，并將創(chuàng)造性地將共振論引入到化學(xué)中，由此產(chǎn)生了一些新的概念.鮑林將量子力學(xué)的說明與電子的交換或電子在不同的原子軌道之間的躍遷的形象描述融合起來，提出了“共振能”的概念.［22］雖然共振論存在某些缺陷和局限性，但這一開創(chuàng)性工作迄今仍是有機化學(xué)的主導(dǎo)理論.［23］鮑林價鍵規(guī)則是一個既有物理基礎(chǔ)，又帶有一定經(jīng)驗色彩的方法，這一創(chuàng)造性成果的應(yīng)用面是相當(dāng)廣泛的，并衍生出多個重要理論.［24－25］在化學(xué)鍵知識的基礎(chǔ)上，1932年，鮑林預(yù)言，惰性氣體可以與其他元素化合生成化合物.惰性氣體原子最外層都被8個電子所填滿，形成穩(wěn)定的電子層按傳統(tǒng)理論不能再與其他原子化合.但鮑林的量子化學(xué)觀點認為，較重的惰性氣體原子，可能會與那些特別易接受電子的元素形成化合物，這一預(yù)言，在1962年被證實.這些開創(chuàng)性的猜想或理論是建立在堅實的化學(xué)基礎(chǔ)和不懈的探索之上的，也說明他敏銳、敢于冒險而勇于創(chuàng)造的科學(xué)精神.

2.3 勤奮的科學(xué)態(tài)度

鮑林的家境很不好，父親只是一位一般的藥劑師，母親多病，9歲喪父，母親幾乎無力撫養(yǎng)他.但他很早就接觸化學(xué)實驗并產(chǎn)生濃厚興趣，是勤奮使鮑林堅強地成長為20世紀(jì)最偉大的化學(xué)家之一.鮑林是一位十分勤奮而博學(xué)的人，他曾經(jīng)直言不諱地說:“對于聰明而不愿勤奮的人，我從來就對他們不懷好感.”［21］筆者也認為，勤奮是一個科學(xué)工作者最可貴、最不可或缺的優(yōu)良品質(zhì)，是科學(xué)家成功的關(guān)鍵因素.

2.4 豐富的想象力

鮑林有數(shù)量驚人的設(shè)想，但多數(shù)證明是無用的.［25］比如，鮑林認為稀有氣體氙是一種極好的全身麻醉藥，作用的機理是藥劑改變了水的結(jié)晶，提出了“水合微晶理論”(或稱“水合相理論”)，但現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)證明該理論是不合理的.［26］他超強的想象力同樣導(dǎo)致了后來獲得巨大成功的共振理論，但一開始中、西方科學(xué)界都難以接受這一思想，在1951年莫斯科一個為期4天的會議上，共振論受到蘇聯(lián)激進思想家的猛烈抨擊，鮑林被趕出蘇聯(lián).［27］然而，鮑林的少數(shù)幾個天才般的奇思妙想?yún)s使他成為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家.可見，在科學(xué)上，豐富的想象力往往起到舉足輕重的作用.

3 結(jié)束語

鮑林是世界著名量子化學(xué)家，對價鍵理論、電負性、共振論、生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能等方面做出了開創(chuàng)性的工作，并發(fā)現(xiàn)了錫錫鍵，在世界上享有很高的聲望.永不服輸而又有些固執(zhí)、敢于創(chuàng)新、勤奮和豐富的想象力使他成為一個多產(chǎn)而備受關(guān)注的科學(xué)家.他的創(chuàng)新思想、科學(xué)態(tài)度和工作方式可以給當(dāng)代科技工作者帶來啟迪.

［1］褚廷夫.有“第一流天才”與“和平老人”美譽的鮑林［J］.化學(xué)教學(xué)，1998，(6):10－11.

［2］胡盛志.鍵價理論的研究進展［J］.大學(xué)化學(xué)，2007，22(6):1－12.

［3］閆世才.價鍵理論的產(chǎn)生與發(fā)展［J］.天水師范學(xué)院學(xué)報，2003，23(2):15－18.

［4］吳瑋，宋凌春，莫亦榮，曹澤星，張乾二.現(xiàn)代價鍵理論研究進展［J］.廈門大學(xué)學(xué)報，2001，40(2):338－343.

［5］莫亦榮，吳瑋，張乾二.價鍵理論新進展［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2001，62(6):1119－1126.

［6］羅曉光，李金平，胡平，董善亮.共價晶體硬度計算的經(jīng)驗電子理論模型［J］.科學(xué)通報，2010，55(19):1957－1962.

［7］向義和.化學(xué)鍵的本質(zhì)是怎樣被揭示的［J］.自然雜志，2009，31(1):47－54.

［8］劉磊，孫洪偉.鋰基潤滑脂的制備及熱力學(xué)估算［J］.軸承，2009，(11):30－31.

［9］李克艷，薛冬峰.電負性概念的新拓展［J］.科學(xué)通報，2008，53(20):2442－2448.

［10］黃林勇，劉宏，劉鐸，張素芳，王繼揚，胡陳果.以NH4Cl為礦化劑水熱合成ZnO自組裝微納米結(jié)構(gòu)［J］.人工晶體學(xué)報，2010，39(3):578－582.

［11］呂仁慶，盧玉坤，董斌，曹作剛.鮑林與共振論——關(guān)于共振論的論爭［J］.廣東化工，2010，37(5):23－24.

［12］張紅梅，陳國力，劉梅，廖顯威.共振論的應(yīng)用及量子化學(xué)探討［J］.化學(xué)教育，2008，29(5):2－3.

［13］李青仁，于廣瑩.共振論在化學(xué)中的應(yīng)用［J］.吉林師范大學(xué)學(xué)報，2005，26(1):73－75.

［14］袁振東.從量子力學(xué)到鮑林的共振論:科學(xué)思想的傳播與進化［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，6(4):1－6.

［15］胡化凱.我國對化學(xué)“共振論”的批判［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，14(2):42－46.

［16］向義和.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是怎樣發(fā)現(xiàn)的［J］.物理與工程，2005，15(2):44－49.

［17］張慧.命運的螺旋帶來的啟示——從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)看科學(xué)方法論［J］.山西大學(xué)學(xué)報，2005，28(2):15－18.

［18］趙匡華.化學(xué)通史［M］.北京:高等教育出版社，1990.

［19］向義和.蛋白質(zhì)分子α螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)［J］.自然雜志，2010，32(1):46－53.

［20］劉宗寅，呂志清.化學(xué)發(fā)現(xiàn)的藝術(shù)——化學(xué)探索中的智慧聚合［M］.青島:中國海洋大學(xué)出版社，2003.

［21］周仲良，郭宇峰，郭鏡明.鮑林:20世紀(jì)的科學(xué)怪杰［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1999.

［22］袁振東.鮑林關(guān)于共振論的研究策略和教學(xué)策略［J］.大學(xué)化學(xué)，2004，19(4):59－62.

［23］袁履冰，姜文鳳.物理有機化學(xué)導(dǎo)論(第二版)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2004.

［24］邵美成，唐有祺.鮑林電價規(guī)則與鍵價理論［J］.大學(xué)化學(xué)，1986，1(1):3－12.

［25］Hargittai I.Linus Pauling’s quest for the structure of proteins［J］.Struct.Chem.，2010，(21):1–7.

［26］Nakada T.Neuroscience ofwatermolecules:a salute to professor Linus Carl Pauling［J］.Cytotechnology，2009，(59):145–152.

［27］Hargittai I.Candid science:conversationswith famous chemists(edited by Magdolna Hargittai)［M］.London:Imperial College Press，2000.