吉尔伯特·牛顿·路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875-1946）是20世纪最伟大的化学家之一，他是现代化学热力学奠基人、共价键发现者，他提出的酸碱概念是对化学科学的另一个重要的贡献。 1922年，路易斯第一次获得诺贝尔化学奖提名，到1946年共获得41次提名，但从未获得诺贝尔化学奖，成为诺贝尔奖历史上的巨大争议之一。 本文介绍了路易斯的人生经历和科学成就，盘点了其科学探索的历程。 吉尔伯特·牛顿·路易斯在化学热力学和化学键理论等领域的杰出工作把美国物理化学研究带到了国际前沿，结束了欧洲在物理化学领域的统治地位，对化学学科的发展产生了巨大的影响。 他被称为＂ 现代化学热力学的奠基人 ＂＂ 共价键的发现者 ＂，在他漫长的科学生涯中，他以旺盛的精力、热情和追求新发现的激情持续地工作，极大丰富了化学科学。 路易斯生平 路易斯于1875年10月23日出生在美国马萨诸塞州韦茅斯，他的整个小学教育是在家里完成的。 1891年，路易斯进入内布拉斯加大学化学系开始本科学业，1893年转学到哈佛大学。在大学期间，他对物理化学家理查兹开设的 基础理论与物理化学课程 非常有兴趣。 路易斯于1896年从哈佛大学毕业，获得化学学士学位。在中学任教1年后回到哈佛大学，成为理查兹指导的第1个博士研究生。 1899年，路易斯完成了以 《自由能和物理化学平衡的一般方程及其应用》 为题的博士论文，获得哲学博士学位。 博士后研究期间，路易斯先后到德国莱比锡大学奥斯特瓦尔德的实验室和哥廷根大学物理化学家瓦尔特·赫尔曼·能斯特的实验室学习，并在奥斯特瓦尔德实验室的研讨会上就自己正研究的新概念＂ 逸度 ＂作了演讲。 1901年底，路易斯回到哈佛大学化学系继续担任讲师，但于1904年离开，接受了菲律宾科学局度量衡主管一职。 1905年底，路易斯回到美国后接受了麻省理工学院的教职，进入物理化学家亚瑟·阿莫斯·诺伊斯创办的物理化学研究实验室，并很快开始了 测量物质自由能的实验研究 ，同时也继续 热力学理论研究 。 路易斯在麻省理工学院工作了7年，在此期间，他因在 化学热力学 的实验和理论研究方面的出色工作，在美国物理化学界占有了一席之地，也成为了一名成熟的科学家。 1912年秋天，应加州大学伯克利分校校长的邀请，路易斯加入该校，并被任命为化学学院院长兼化学系主任。 他在进行化学热力学研究的同时，也继续思考化学键理论问题，1916年首次提出 共价键的共用电子对模型 ，使人们对分子结构有了新的认识。 一战结束后，路易斯回到加州大学伯克利分校化学学院，1923年出版了2部著作，一是与兰德尔合作的 《热力学和化学物质的自由能》 ，另一是 《化合价和原子与分子的结构》 。 1941年路易斯卸任化学学院院长兼化学系主任，但继续着他的研究工作，直到1946年3月23日，路易斯在做实验时因心脏病突发去世。 奠基现代化学热力学 路易斯进入到化学热力学领域是在攻读博士学位期间。 当时化学热力学研究沿着两条不同的道路发展，一是以约西亚·威拉德·吉布斯为代表的群体，基于化学系统与力学系统的类比，利用熵和热力学势，应用演绎法得到了 系统、严密的理想系统化学热力学理论 ；另一是以奥斯特瓦尔德、范特霍夫和阿累尼乌斯为代表的群体，被称为＂离子学家＂， 以应用归纳法为主 ，研究了化学亲和、质量与温度对化学平衡的影响、反应速率、渗透压现象和电解离解等许多新老问题，建立了 物理化学学科的理论框架 。 路易斯立志要改革化学热力学，使两种理论体系统一起来，以一种 化学家更容易理解且更严谨的方式 来呈现化学热力学。 他首先从 分析相平衡现象 入手，认识到如果含有某种物质的任一相与不含有该物质的其他相接触，每一种物质都有脱离其所处相的倾向。 1901年，路易斯提出了＂ 逸度 ＂概念，体现了气体的非理想行为，建议如果用逸度这个参量系统地替代蒸气压，所有化学热力学的近似方程都可变成 精确的方程 。 1907年路易斯提出了＂ 活度 ＂这一重要概念，指用浓度维度表示物质在某一特定状态的逃逸倾向，体现了 化学系统的非理想行为 ，扩大了逸度的意义。 路易斯利用活度推导出许多重要的热力学方程，它们的形式与理想系统的近似方程相同，但用活度来表示时 得到的结果是精确的 。 路易斯提出的逸度、活度概念并没有立即引起化学家的关注，1920年代以后被世界各地的化学家开始广泛使用，＂逸度＂＂活度＂这两个词也成了物理化学学科中的基本词汇。 1921年，路易斯和兰德尔为解决单个离子活度无法测定的问题，提出了离子＂ 平均活度 ＂和＂ 平均活度系数 ＂的概念；为了测定不同价型混合电解质溶液的活度系数，提出了＂ 离子强度 ＂的概念，发现了稀溶液中强电解质的活度系数由离子强度决定的经验定律，为 电解质溶液热力学 的发展奠定了基础。 1923年路易斯和兰德尔为计算真实气体混合物中各组分的逸度，提出了 路易斯-兰德尔逸度规则 。 热力学的发展表明，衡量化学亲合力的正确标准是＂ 自由能 ＂（现称为＂吉布斯自由能＂），诺伊斯和路易斯意识到，编制一个自由能数据表对化学有巨大的价值。 1906年美国科学院批准了诺伊斯申请的一个合作项目，由路易斯负责联合几个实验室对自由能数据进行收集和测定。 1912年路易斯到伯克利建立了实验室后，数据测定工作取得了实质性进展，精确测量了一些物质的 生成自由能 和 电极电势的标准值 。 1913年路易斯首次提出了 自由能数据的计算基准 ，为后来国际纯粹化学与应用化学联合会规范热力学数据提供了基础。 元素熵值 也是一个有意义的热力学数据。1917年路易斯与乔治·欧内斯特·吉布森合作，经大量的计算得到了 48种元素熵值的数据表 ，之后，二人通过对理想溶液和纯液体在降温过程达到绝对零度时熵变的分析，认为纯物质的完美晶体的熵在绝对零度时消失，提出了热力学第三定律更准确的表述，沿用至今。 在同兰德尔合作的专著 《热力学和化学物质的自由能》 中，路易斯第一次成功地将吉布斯建立的统一的热力学理论体系具体地应用于化学过程， 奠定了现代化学热力学的基础 。 发现共价键 路易斯对化学键理论的兴趣始于1898年的硕士论文。 1902年，路易斯意识到一个立方体有8个顶点，有8个位置可以用来排列外部电子，故而提出 ＂立方原子＂模型 ，即原子是一个立方体，由一个带正电的原子核和围绕原子核的固定同心立方电子层组成。 1905年路易斯到诺伊斯的实验室后，就他的＂立方原子＂模型与同事进行过热烈的讨论，但并没有形成共识。 1913年10月，布雷和路易斯的博士生杰拉尔德·布兰奇发表文章提出，原子之间有两种不同类型的结合： 极性结合 ，即电子从一个原子转移到另一个原子的结合； 非极性结合 ，即电子在原子间没有运动的结合。 路易斯在同一期发文赞同此观点，并正式采用了他们的新术语，提出必须承认存在两种 不仅在程度上而且在种类上不同的化学键合 。 1916年4月，路易斯终于发表了划时代的论文 《原子与分子》 ，提出 共用电子对键 的概念，这是20世纪化学最重要的思想之一，是了解化学键基本性质的重要一步，开启了化学领域的＂ 电子结构革命 ＂。 路易斯提出： 化学键由2个原子共用的1对电子组成 。他认为共用电子对导致分子中除了氢原子之外的绝大多数原子的价电子层有8个电子，也就是惰性气体分子的价电子层，路易斯称之为＂ 八规则 ＂。 然而，路易斯无法解释为什么电子即使互相排斥似乎还有一种特殊的能力来形成电子对，也无法解释为什么2个电子可以在原子之间形成1个键，但他确信 电子对是理解化学键的线索 。 ＂立方原子＂是路易斯共用电子对键理论的一个主要特征，虽然并不正确，但这是路易斯 进入化学键理论领域的第一步 ，为他提供了至关重要的洞见。 在1916年的论文中，路易斯发明了一种巧妙、方便的符号表示＂ 共用电子对键 ＂，即用2个圆点来表示电子对，以这种方式或用短线表示一个键或共用电子对的分子电子结构式被称为＂ 路易斯结构式 ＂。 路易斯发现的共用电子对键被成功地用于 理解和解释复杂的有机反应 ，得到了广泛认可。 《化合价和原子与分子的结构》 深刻地影响了化学家对原子和分子间化学键合的思考方式，书中另一个重要的贡献是路易斯对酸碱的定义，提出了 酸碱电子理论 ，也被称为＂ 路易斯酸碱理论 ＂，是理论化学和物理化学的重要里程碑。 该理论认为，凡是可以 接受 外来电子对的分子、基团或离子为 酸 ；凡可以 提供 电子对的分子、离子或原子团为 碱 。 路易斯的理论是当代化学中 最广泛使用的模型 ，为描述分子的结构和反应性提供了 一般的基础 。 后世纪念 路易斯生前获得了很多荣誉。 路易斯1913年当选 美国国家科学院院士 （由于他认为科学院的事务被某些人过度地控制而在1934年辞职），获得了美国化学会纽约分会颁发的 尼科尔斯奖章 、美国化学会芝加哥分会颁发的 威拉德·吉布斯奖章 、美国化学会东北分会颁发的 西奥多·威廉·理查兹奖章 、英国皇家学会颁发的 戴维奖章 和瑞典皇家科学院颁发的 阿累尼乌斯奖章 等。 1955年出版的路易斯传记公开为他错失诺贝尔化学奖发表遗憾，随后多人为路易斯鸣不平。 2016年在加州圣地亚哥举办美国化学会全国会议专题研讨了诺贝尔奖颁奖史上诺贝尔奖委员会的失误和失察，认为路易斯未能获奖有 2个原因 ：诺贝尔奖评委当时未认识到路易斯工作对化学的重大意义，个别诺贝尔奖评委有意阻止了路易斯的获奖。 为纪念路易斯，加州大学伯克利分校1948年将新建成的化学大楼命名为＂路易斯楼＂；1951年美国化学会加州分会设立了＂吉尔伯特·牛顿·路易斯奖章＂，奖励做出杰出贡献的理论化学家；1993年马萨诸塞州宣布1993年10月23日为 吉尔伯特·牛顿·路易斯日 。 为纪念路易斯领导下的化学学院对化学科学的开创性成就，1997年美国化学会将加州大学伯克利分校化学大楼——＂吉尔曼楼＂命名为美国＂ 国家历史化学地标 ＂。 第183届美国化学会会议上，召开了纪念路易斯专题讨论会； Journal of Computational Chemistry 在2007年出版的专刊＂化学键90年＂中，发表了9篇研究路易斯、路易斯的工作及其影响的论文；2016年，欧洲科学院院士、牛津大学教授迈克尔·明戈斯组织30余位世界理论化学领域的领军人物编撰了3卷本文集《化学键》，评述了路易斯的开创性思想 对现代化学的巨大影响 。 路易斯＂作为一个人，他是一个伟大的灵魂，他的精神将永远不会被那些了解和热爱他的人遗忘＂。他的名字与化学热力学、共价键理论和酸碱电子理论同在，永志弗灭！ 作者简介：沈玉龙，唐山师范学院化学系，教授，研究方向为化学史、科技史。 论文全文发表于《科技导报》2021年第22期 本文有删减，欢迎订阅查看