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化学的未解之谜-分子如何形成
作者: kongwuzhong           时间:2020-08-04 12:05:56

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在高中化学课本里面,分子结构可算是最主要的内容之一。但是,这些看上去由"球"(代表原子)和"棍"(代表化学键)构成的模型已经有些年头了。并不是没有更新的模型,问题在于,科学家在更为准确的分子外观模型方面,并未取得一致意见。

20世纪20年代,沃尔特·海特勒(Walter Heitler)和弗里茨·伦敦(Fritz London)应用刚刚兴起的量子力学理论,向人们展示了如何描述化学键的形成。此后不久,美国著名化学家鲍林(Linus Pauling)又提出了杂化轨道理论,认为当不同原子的电子轨道在空间上重合时,就会形成化学键。而罗伯特·马利肯(Robert Mulliken)和弗雷德里希·洪德(Friedrich Hund)却提出了截然不同的理论:化学键的形成,是原子轨道并入一个包括多个原子的"分子轨道"的结果。那时的理论化学看起来就像物理学的一个分支。

近100年后,分子轨道模型成为认可度最高的一种。但对于这种模型是否研究分子的最佳工具,化学家仍然没有达成一致。原因在于,这类分子模型,以及其他所有简化了的假想模型都不够精确,只能部分描述分子结构。事实上,分子就是电子云中的一团原子核,并通过相反的静电力,与另外一团原子核进行着一场永不停止的"拔河游戏",而且所有的组成部分都在不停地运动和重组。现有的分子模型通常试图将这样一种处于动态的实体变为静态,并且明确各个组分之间的关系,这种做法会显示出分子的一些突出性质,但同时也会将其他信息忽略掉。

而对于每天的工作就是破坏和构建化学键的化学家来说,量子理论又无法为化学键提供一个符合他们直觉的独特定义。现在,很多人定义分子的方法,都是把分子看作是一堆通过化学键结合在一起的原子。在德国波鸿-鲁尔大学的量子化学家多米尼克·马克斯(Dominik Marx)看来,这些描述都有一个共同的毛病,那就是"在某些情况下是正确的,但换到其他条件下,就是错误的"。

现在,科学家可以根据量子第一性原理(quantum first principles),通过计算机模拟来计算分子的结构和性质--只要电子数量相对较少,就能获得精确度很高的结果。"计算化学可以极度现实化和复杂化,"马克斯说。因此,计算机模拟越来越被看作是一种虚拟实验,用来预测一个化学反应的过程。但是,一旦某个反应的模拟计算不再局限于几十个电子,计算量就将变得巨大无比,即使最先进的计算机恐怕也无法胜任。因此,我们面临的挑战将会是能否放大模拟范围,比如细胞中的复杂分子过程或某些复杂材料的分子结构。


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