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  • 化學的未解之謎-分子如何形成
    作者: kongwuzhong           時間:2020-08-04 12:05:56

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    在高中化學課本里面,分子結構可算是最主要的內容之一。但是,這些看上去由"球"(代表原子)和"棍"(代表化學鍵)構成的模型已經有些年頭了。并不是沒有更新的模型,問題在于,科學家在更為準確的分子外觀模型方面,并未取得一致意見。

    20世紀20年代,沃爾特·海特勒(Walter Heitler)和弗里茨·倫敦(Fritz London)應用剛剛興起的量子力學理論,向人們展示了如何描述化學鍵的形成。此后不久,美國著名化學家鮑林(Linus Pauling)又提出了雜化軌道理論,認為當不同原子的電子軌道在空間上重合時,就會形成化學鍵。而羅伯特·馬利肯(Robert Mulliken)和弗雷德里?!ず榈?Friedrich Hund)卻提出了截然不同的理論:化學鍵的形成,是原子軌道并入一個包括多個原子的"分子軌道"的結果。那時的理論化學看起來就像物理學的一個分支。

    近100年后,分子軌道模型成為認可度最高的一種。但對于這種模型是否研究分子的最佳工具,化學家仍然沒有達成一致。原因在于,這類分子模型,以及其他所有簡化了的假想模型都不夠精確,只能部分描述分子結構。事實上,分子就是電子云中的一團原子核,并通過相反的靜電力,與另外一團原子核進行著一場永不停止的"拔河游戲",而且所有的組成部分都在不停地運動和重組?,F有的分子模型通常試圖將這樣一種處于動態的實體變為靜態,并且明確各個組分之間的關系,這種做法會顯示出分子的一些突出性質,但同時也會將其他信息忽略掉。

    而對于每天的工作就是破壞和構建化學鍵的化學家來說,量子理論又無法為化學鍵提供一個符合他們直覺的獨特定義?,F在,很多人定義分子的方法,都是把分子看作是一堆通過化學鍵結合在一起的原子。在德國波鴻-魯爾大學的量子化學家多米尼克·馬克斯(Dominik Marx)看來,這些描述都有一個共同的毛病,那就是"在某些情況下是正確的,但換到其他條件下,就是錯誤的"。

    現在,科學家可以根據量子第一性原理(quantum first principles),通過計算機模擬來計算分子的結構和性質--只要電子數量相對較少,就能獲得精確度很高的結果。"計算化學可以極度現實化和復雜化,"馬克斯說。因此,計算機模擬越來越被看作是一種虛擬實驗,用來預測一個化學反應的過程。但是,一旦某個反應的模擬計算不再局限于幾十個電子,計算量就將變得巨大無比,即使最先進的計算機恐怕也無法勝任。因此,我們面臨的挑戰將會是能否放大模擬范圍,比如細胞中的復雜分子過程或某些復雜材料的分子結構。


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