束缚彼此的纽带

1916年初，两位科学家各自研究了一个重要的难题。吉尔伯特·刘易斯(Gilbert Lewis)是一位兴趣广泛的美国化学家，有点特立独行。瓦尔特·科塞尔是一位德国物理学家，他的学术背景更为传统，他关注的问题范围更窄。他们提出了两个基本问题——是什么将元素结合在一起形成化合物，以及为什么有些元素渴望结合而另一些元素不愿结合?他们的答案不同，但显然指向同一个方向。

一年后，美国与德国开战。科塞尔已经开始致力于改进军用无线电设备，不久之后刘易斯开始训练军队人员应对毒气。今天，战争已经成为历史，但科塞尔和刘易斯开创的理论仍然是化学的核心。

特立独行者和天生的学院派

刘易斯出生于1875年，是波士顿一位律师的儿子。他九岁时全家搬到了内布拉斯加州。刘易斯几乎没有接受过正规教育，而是在家广泛阅读。在林肯内布拉斯加大学学习两年后，他于1893年转入哈佛大学，并于1899年获得博士学位。在德国师从瓦尔特·能斯特(walter Nernst)和威廉·奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald)之后，他在哈佛大学担任初级教师。

哈佛大学的化学系由西奥多·理查兹(Theodore Richards)主导，他是一位纪律严明的人，重视细致的实验室工作，不鼓励理论化。刘易斯在麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)过得更舒服，他在那里度过了富有成效的七年，然后在1912年移居到加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)。在担任伯克利大学化学系主任期间，刘易斯主持了头脑风暴会议，让初级教师和研究生可以在不损害他们职业前景的情况下挑战公认的智慧。这种环境孕育了几位创新化学家，包括诺贝尔奖得主格伦·西博格。

除了化学键的研究，刘易斯在热力学和光化学方面也做出了重要贡献。他在溶液方面的工作对酸和碱的性质产生了重要的见解，他是同位素研究的先驱。1946年，刘易斯在测量氰化氢的介电常数时去世。目前尚不清楚他的死是意外、自杀还是心脏病发作。

科塞尔在学术界长大。他出生于1888年，是生物化学家阿尔布雷希特·科塞尔(Albrecht Kossel)的儿子——当时是柏林大学的教授，后来是诺贝尔奖得主。他的母亲是阿道夫·霍尔茨曼(Adolf Holtzmann)的女儿，后者在海德堡大学讲授德国文学。从1906年开始，科塞尔在海德堡和柏林学习物理学。1910年，他成为菲利普·勒纳德在海德堡的助理，不久后完成博士学位。

1913年，科塞尔搬到慕尼黑，在阿诺德·索末费尔德(Arnold Sommerfeld)的指导下获得了教授资格(在大学任教的执照)，当时索末费尔德的系在理论物理方面取得了巨大的进步。科塞尔最初专门研究x射线光谱，但他后来在电子散射方面的工作帮助确认了它们的双波粒状态。

基尔大学于1921年任命科塞尔为理论物理学教授，在1932年接受但泽大学(现格但斯克)的教授职位之前，他在那里做了进一步有意义的工作。1945年，科塞尔举家来到西德，并在Tübingen大学担任物理学教授，培养了蓬勃发展的研究文化。1953年退休，1956年去世。

科塞尔关于电子和化学键的论文发表于1916年4月，刘易斯的论文发表于一个月后。刘易斯从化学数据入手，并参考了元素周期表。科塞尔的论点基于新的量子物理学，他和索末菲在这方面做出了重大贡献。然而，要理解这项工作的意义，我们需要回顾更远的时间。

八位规则

19世纪的化学家经常用“球棒”模型来表示分子结构，但许多人怀疑它们是否准确地代表了物理现实。19世纪70年代立体异构的发现表明原子间键是存在的，但它们的性质仍然是神秘的。1896年，剑桥大学卡文迪什实验室提供了一条线索，J·J·汤姆森在那里发现了一种他称之为“微粒”的东西，很快就被称为电子。

汤姆逊证明，在高压放电管中产生的阴极射线是带负电荷的粒子流，其质量远远小于最小的原子。最初，他设想原子是一个充满电子的带正电的球体，即所谓的“葡萄干布丁模型”。1911年，汤姆逊以前的学生，新西兰人欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)提出了一种行星原子，它的电子围绕着一个密集的正核运行。这两个模型似乎都不符合当时所理解的物理定律，但都暗示电子参与了化学键。

1904年，汤姆逊提出弱附体可以从正电元素的原子迁移到负电元素的原子，由此产生的相反的电荷将粒子结合在一起。最近发现的惰性气体的不化学活性使他相信，惰性气体原子的外层电子具有特别稳定的结构。运用经典电动力学方程，他估计原子的外表面可能同时存在多达20个电子，但他承认这个结果是不确定的。

在科学史上，随着观测材料范围的扩大，需要对基于更小观测领域的概括进行修改，这已经不是第一次了

德国物理学家约翰内斯·斯塔克(Johannes Stark)在1908年发表了关于电子在化学键中的作用的进一步推测。当时，他们的影响不大，但在刘易斯的优先权主张受到挑战后，他们的影响变得更大了。自1902年以来，刘易斯在哈佛的演讲以电子形成同心壳层的原子图为特色。他认为，最稳定的原子构型有一个位于立方体角上的8个电子的外层，但几年都没有发表这一观点。

数字8的重要性已经被英国化学家约翰·纽兰兹所认识，他的“八度定律”预示了“八度定律”的诞生周期律于1869年由俄国的门捷列夫提出．门捷列夫后来指出，有些元素的氢价和氧价之和为8，例如H₂S和SO_3.或者HCl和Cl₂O₇1904年，德国化学家理查德·阿贝格(Richard Abegg)发表了后来被称为“八法则”的理论。

除了注意到许多多价元素的最高价和最低价之和为8外，阿贝格还注意到在类似的元素序列中，有几种惰性气体占据了第8位。不幸的是，在他在一次航空事故中过早死亡之前，他没有进一步研究这些见解。

立方体的混乱

到1916年，当刘易斯发表了他对阿贝格定律的解释时，物理学家们正在开发更复杂的原子模型。1913年，卢瑟福的前丹麦学生尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)提出，电子只在与特定能量量子相关的距离上绕原子核运行。科塞尔的导师索末菲等人进一步发展了他的思想。这些对电子行为的数学描述解释了原子光谱中一些令人费解的模式，但起初化学家们对它们的潜在用途认识缓慢。

物理学家科塞尔在1916年大胆地宣称，任何原子的化学行为都是由“原子中可用电子的数量以及它们可能离开的条件”决定的。科塞尔曾协助索末菲将谱线与玻尔的量子化电子轨道联系起来，他知道要分离靠近原子核的电子需要非常大的能量量子(在x射线频率范围内)。因此，他认为只有最外层的电子才能挣脱束缚，参与化学键的形成。

科塞尔提出，如果碱金属原子给卤素原子提供了一个电子，使每个原子都像惰性气体一样有一个稳定的外壳，那么所产生的电荷将把这些原子结合在一起，形成晶体结构，或者使它们在溶液中发挥离子的作用。他认为大多数化合物都是通过类似的过程形成的，但他承认，对于那些涉及碳的化合物，情况还不清楚。

相比之下，刘易斯在1916年的论文中提出，碳原子通过共享电子而不是通过获得或失去电子来获得稳定的外层。他断言，“一个电子可以成为两个不同原子的壳层的一部分，不能说它只属于其中一个原子”，他认为玻尔的原子模型没有解释这一点。

我们必须首先从研究化学现象,了解原子的结构和安排,如果我们发现有必要改变法律在短距离带电粒子之间的作用力,甚至在一定程度上改变的迹象,力量,它不会是第一次历史上的科学观察的范围增加材料需要修改一概而论基于观察的一个较小的领域,”刘易斯在1916年写道。

这种信念支撑了刘易斯的立方体模型。他认为，对于单键原子间键，两个立方体角对角相连，而在双键中，它们面对面相连。

碳碳三键的问题更大，它们最终导致刘易斯放弃了立方体结构。相反，他提出，一个完整的外层有四对电子，它们位于一个四面体的角上，两个四面体面对面连接，形成一个三键。电子成对成键的概念与刘易斯的信念相一致，即在配位化合物中，一个原子提供了两个成键电子。(不过，他也意识到，偶尔也会出现含有奇数电子的键。)

一生的敌人

从1919年开始，美国物理化学家欧文·朗缪尔发表了一系列论文，发展了科塞尔和刘易斯理论的综合，为刘易斯称之为“极性”和“非极性”的键类型引入了术语“电价”和“共价”。朗缪尔的主张使更多人相信了该理论的价值，其中许多人认为他是该理论的建筑师。当刘易斯抱怨时，朗缪尔引用斯塔克1908年的论文作为证据，证明刘易斯的想法并非完全史无前例。

在朗缪尔因对表面化学的贡献而获得诺贝尔奖后，刘易斯的不适加剧了。(刘易斯虽然经常被提名，但从未获得过这个奖项。)刘易斯1923年出版的《价电子与原子和分子的结构》一书，在某种程度上是对他的优先权主张的辩护，尽管到该书出版时，他的原子模型已经进化了。

刘易斯在1923年写道:“基于元素周期律和化学行为的观点得出了相对静态的原子的图像……物理学家的实验导致了对原子的完全不同的观点……这两种观点似乎是完全不相容的，尽管物理学家和化学家正在研究的是同一种原子。”

然而，他认为玻尔最近提出的原子电子在不同的壳层中相关联的观点“已经消除了物理学家和化学家观点之间的每一个基本冲突因素”。

当时，大多数物理学家认为，亚原子粒子虽然看不见，但仍然是可以理解的。就像歇洛克·福尔摩斯测量一个窃贼的脚印，从步幅计算出他的身高，从脚印的深度计算出他的体重一样，他们试图从可观测到的数据中推断出电子的重要统计数据。但到了20世纪20年代后期，电子被揭示为高度矛盾的实体，有时表现得像物质粒子，有时又像具有波状特性的能量束——就像窃贼的指纹和猎犬的指纹交替出现一样。

许多化学家忽略了这些谜团，专注于他们自己学科的紧迫挑战。尽管如此，物理学家们所取得的进步，特别是奥地利的Erwin Schrödinger，使化学键的新方法出现了。它从最简单的氢分子开始。1927年，两名德国物理学家沃尔特·海特勒和弗里茨·伦敦用数学方法表达了它的两个电子的复杂舞蹈。两人都曾在慕尼黑与索末菲合作，后来又在苏黎世与Schrödinger合作，在那里，访问他们的美国化学家莱纳斯·鲍林也加入了他们。

鲍林把这些思想带回家，并进一步发展。他1939年的杰作，化学键的性质，成为了一代又一代学生的标准教材。鲍林的价键体系——以及由弗里德里希·洪德、罗伯特·穆里肯等人开创的互补分子轨道模型——的演化是一个过于复杂的故事，在这里不作赘述。但他们的工作，以及我们目前对化学键的理解，是建立在一个世纪前刘易斯和科塞尔所奠定的基础上的。

Mike Sutton是英国诺森比亚大学人文学系的访问学者

进一步的阅读

科塞尔讣告:安德拉德，自然, 1956,178， 568 (doi:10.1038 / 178568 a0）

路易斯讣告:希尔德布兰德，Biogr。Mem。研究员R. Soc。, 1947,15， 491 (doi:10.1098 / rsbm.1947.0014）

H Kragh,尼尔斯·玻尔和量子原子，牛津大学出版社，2012年

K J莱德勒，物理化学的世界，牛津大学出版社，1995年