Гилберт Ньютон Льюис ForMemRS [1] (23 октября [2] [3] [4] или 25 октября 1875 г. — 23 марта 1946 г.) [1] [5] [6] был американским физико-химиком и деканом химического факультета Калифорнийского университета в Беркли . [3] [7] Льюис был наиболее известен своим открытием ковалентной связи и своей концепцией электронных пар ; его точечные структуры Льюиса и другие вклады в теорию валентных связей сформировали современные теории химической связи . Льюис успешно внес вклад в химическую термодинамику , фотохимию и разделение изотопов , а также известен своей концепцией кислот и оснований . [8] Льюис также исследовал теорию относительности и квантовую физику , и в 1926 году он ввел термин « фотон » для наименьшей единицы лучистой энергии. [9] [10]
GN Lewis родился в 1875 году в Веймуте, штат Массачусетс . Получив докторскую степень по химии в Гарвардском университете и обучаясь за границей в Германии и на Филиппинах , Льюис переехал в Калифорнию в 1912 году, чтобы преподавать химию в Калифорнийском университете в Беркли, где он стал деканом факультета химии и провел остаток своей жизни. [3] [11] Будучи профессором, он включил термодинамические принципы в учебную программу по химии и реформировал химическую термодинамику математически строгим способом, доступным обычным химикам. Он начал измерять значения свободной энергии, связанные с несколькими химическими процессами, как органическими, так и неорганическими. В 1916 году он также предложил свою теорию связи и добавил информацию об электронах в периодическую таблицу химических элементов . В 1933 году он начал свои исследования по разделению изотопов. Льюис работал с водородом и сумел очистить образец тяжелой воды . Затем он разработал свою теорию кислот и оснований и в последние годы жизни работал в области фотохимии .
Хотя он был номинирован 41 раз, Г. Н. Льюис так и не получил Нобелевскую премию по химии , что привело к крупному спору о Нобелевской премии . [12] [4] [13] [14] [15] С другой стороны, Льюис был наставником и оказал влияние на многочисленных лауреатов Нобелевской премии в Беркли, включая Гарольда Юри (Нобелевская премия 1934 года), Уильяма Ф. Джиока (Нобелевская премия 1949 года), Гленна Т. Сиборга (Нобелевская премия 1951 года), Уилларда Либби (Нобелевская премия 1960 года), Мелвина Кальвина (Нобелевская премия 1961 года) и так далее, превратив Беркли в один из самых престижных в мире центров химии. [16] [17] [18] [19] [20] 23 марта 1946 года Льюис был найден мертвым в своей лаборатории в Беркли, где он работал с цианистым водородом ; многие предполагали, что причиной его смерти стало самоубийство. [13] После смерти Льюиса его дети продолжили карьеру отца в области химии, и Льюис-холл в кампусе Беркли назван в его честь. [11]
Льюис родился в 1875 году и вырос в Веймуте, штат Массачусетс , где есть улица, названная в его честь, GN Lewis Way, недалеко от Summer Street. Кроме того, крыло нового химического факультета средней школы Веймута было названо в его честь. Льюис получил начальное образование дома от своих родителей, Фрэнка Уэсли Льюиса, юриста с независимым характером, и Мэри Берр Уайт Льюис. Он начал читать в возрасте трех лет и был интеллектуально развит не по годам. В 1884 году его семья переехала в Линкольн, штат Небраска , и в 1889 году он получил свое первое формальное образование в подготовительной школе университета.
В 1893 году, после двух лет в Университете Небраски , Льюис перевелся в Гарвардский университет , где получил степень бакалавра наук в 1896 году. После года преподавания в Академии Филлипса в Андовере Льюис вернулся в Гарвард, чтобы учиться у физико-химика Т. В. Ричардса , и получил степень доктора философии в 1899 году, защитив диссертацию по электрохимическим потенциалам . [21] [22] После года преподавания в Гарварде Льюис отправился в Германию, в центр физической химии , и учился у Вальтера Нернста в Геттингене и у Вильгельма Оствальда в Лейпциге . [23] Работая в лаборатории Нернста, Льюис, по-видимому, развил с ним пожизненную неприязнь. В последующие годы Льюис начал критиковать и осуждать своего бывшего учителя во многих случаях, называя работу Нернста над его теоремой о теплоте « прискорбным эпизодом в истории химии ». [24] Шведский друг Нернста, Вильгельм Пальмер, был членом Нобелевского химического комитета. Есть доказательства того, что он использовал процедуры выдвижения и отчетности Нобелевской премии, чтобы заблокировать Нобелевскую премию Льюиса по термодинамике , выдвинув Льюиса на премию трижды, а затем используя свое положение члена комитета, чтобы написать отрицательные отчеты. [25]
После своего пребывания в лаборатории Нернста Льюис вернулся в Гарвард в 1901 году в качестве преподавателя еще на три года. Он был назначен преподавателем по термодинамике и электрохимии . В 1904 году Льюису был предоставлен отпуск, и он стал суперинтендантом мер и весов Бюро науки в Маниле , Филиппины . В следующем году он вернулся в Кембридж, штат Массачусетс , когда Массачусетский технологический институт (MIT) назначил его на должность преподавателя, на которой у него была возможность присоединиться к группе выдающихся физических химиков под руководством Артура Амоса Нойеса . Он стал доцентом в 1907 году, адъюнкт-профессором в 1908 году и полным профессором в 1911 году.
GN Lewis покинул MIT в 1912 году, чтобы стать профессором физической химии и деканом Колледжа химии в Калифорнийском университете в Беркли . [14] [16] 21 июня 1912 года он женился на Мэри Хинкли Шелдон, дочери профессора романских языков из Гарварда . У них было двое сыновей, оба из которых стали профессорами химии, и дочь. В 1913 году он присоединился к Alpha Chi Sigma в Беркли, профессиональному химическому братству. [26]
Выпускники Льюиса в Беркли в дальнейшем добились исключительного успеха в работе Нобелевского комитета . В конечном итоге 14 Нобелевских премий были присуждены людям, которых он взял в качестве студентов. [27] Наиболее известными из них являются Гарольд Юри (Нобелевская премия 1934 года), Уильям Ф. Джиок (Нобелевская премия 1949 года), Гленн Т. Сиборг (Нобелевская премия 1951 года), Уиллард Либби (Нобелевская премия 1960 года), Мелвин Кэлвин (Нобелевская премия 1961 года). [16] [17] [18] Благодаря его усилиям химический колледж в Беркли стал одним из ведущих химических центров в мире. [16] [19]
В Беркли он также отказывался принимать женщин, в том числе не допуская Маргарет Мелхазе к проведению аспирантских исследований. [28] [29] Ранее Мелхазе был одним из открывателей цезия-137 вместе с Сиборгом, будучи студентом. В 1913 году он был избран в Национальную академию наук . [30] Он был избран в Американское философское общество в 1918 году . [31] Он ушел в отставку в 1934 году, отказавшись назвать причину своей отставки; предполагалось, что это было связано со спором по поводу внутренней политики этого учреждения или с неудачей тех, кого он выдвинул для избрания. Его решение уйти в отставку также могло быть вызвано его негодованием по поводу присуждения Нобелевской премии по химии 1934 года его студенту Гарольду Юри за выделение им дейтерия в 1931 году и подтверждение его спектра . Это была награда, которую Льюис почти наверняка считал достойной его участия за его усилия по очистке и описанию тяжелой воды . [32]
23 марта 1946 года [33] аспирант нашел безжизненное тело Льюиса под лабораторным столом в Беркли. Льюис работал над экспериментом с жидким цианистым водородом , и смертельные пары из сломанной линии просочились в лабораторию. Коронер постановил, что причиной смерти стала ишемическая болезнь сердца , из-за отсутствия каких-либо признаков цианоза, [34] но некоторые полагают, что это могло быть самоубийство. Заслуженный профессор Беркли Уильям Джолли, который изложил различные взгляды на смерть Льюиса в своей истории 1987 года Колледжа химии Калифорнийского университета в Беркли, От реторт до лазеров , написал, что один из руководителей кафедры считал, что Льюис покончил с собой. [13]
Если смерть Льюиса действительно была самоубийством, возможным объяснением была депрессия, вызванная обедом с Ирвингом Ленгмюром . У Ленгмюра и Льюиса было долгое соперничество, восходящее к расширениям Ленгмюром теории Льюиса о химической связи. Ленгмюр был удостоен Нобелевской премии по химии 1932 года за свою работу по поверхностной химии , в то время как Льюис не получил премию, несмотря на то, что был номинирован 41 раз. [12] В день смерти Льюиса Ленгмюр и Льюис встретились за обедом в Беркли, встречу, которую Майкл Каша вспомнил только годы спустя. [34] Сотрудники сообщили, что Льюис вернулся с обеда в мрачном настроении, сыграл мрачную партию в бридж с несколькими коллегами, а затем вернулся к работе в своей лаборатории. Час спустя он был найден мертвым. Документы Ленгмюра в Библиотеке Конгресса подтверждают, что в тот день он был в кампусе Беркли, чтобы получить почетную степень.
В его честь назван Льюис-холл в Беркли, построенный в 1948 году. [11]
Большинство долгосрочных интересов Льюиса возникли в годы его учебы в Гарварде. Наиболее важной была термодинамика, предмет, которым Ричардс был очень активен в то время. Хотя большинство важных термодинамических соотношений были известны к 1895 году, они рассматривались как изолированные уравнения и еще не были рационализированы как логическая система, из которой, учитывая одно соотношение, можно было бы вывести остальные. Более того, эти соотношения были неточными, применимыми только к идеальным химическим системам. Это были две выдающиеся проблемы теоретической термодинамики. В двух длинных и амбициозных теоретических работах в 1900 и 1901 годах Льюис попытался предложить решение. Льюис ввел термодинамическую концепцию активности и ввел термин « летучесть ». [35] [36] [37] Его новая идея летучести, или «тенденции к исчезновению», [38] была функцией с размерностью давления , которая выражала тенденцию вещества переходить из одной химической фазы в другую. Льюис считал, что летучесть является фундаментальным принципом, из которого можно вывести систему реальных термодинамических соотношений. Эта надежда не оправдалась, хотя летучесть нашла прочное место в описании реальных газов.
Ранние работы Льюиса также показывают необычайно развитое понимание идей Дж. У. Гиббса и П. Дюгема о свободной энергии и термодинамическом потенциале . Эти идеи были хорошо известны физикам и математикам, но не большинству химиков-практиков, которые считали их абстрактными и неприменимыми к химическим системам. Большинство химиков полагались на знакомую термодинамику тепла (энтальпии) Бертло , Оствальда и Вант-Гоффа , а также на калориметрическую школу. Тепло реакции, конечно, не является мерой тенденции химических изменений к возникновению, и Льюис понял, что только свободная энергия и энтропия могут обеспечить точную химическую термодинамику. Он вывел свободную энергию из летучести; он пытался, безуспешно, получить точное выражение для функции энтропии , которая в 1901 году не была определена при низких температурах. Ричардс тоже пытался и потерпел неудачу, и только после того, как Нернст добился успеха в 1907 году, стало возможным однозначно вычислить энтропии. Хотя система Льюиса, основанная на теории летучести, не просуществовала долго, его ранний интерес к свободной энергии и энтропии оказался весьма плодотворным, и большая часть его карьеры была посвящена тому, чтобы сделать эти полезные концепции доступными для химиков-практиков.
В Гарварде Льюис также написал теоретическую работу по термодинамике излучения черного тела , в которой он постулировал, что свет имеет давление. Позже он признался, что его отговаривали от этой идеи его старшие, более консервативные коллеги, которые не знали, что Вильгельм Вин и другие успешно развивали ту же линию мысли. Работа Льюиса осталась неопубликованной; но его интерес к излучению и квантовой теории , а также (позже) к теории относительности , возник из этой ранней, прерванной попытки. С самого начала своей карьеры Льюис считал себя и химиком, и физиком.
Около 1902 года Льюис начал использовать неопубликованные рисунки кубических атомов в своих лекционных заметках, в которых углы куба представляли возможные положения электронов . Позднее Льюис цитировал эти заметки в своей классической статье 1916 года о химической связи как первое выражение своих идей.
Третьим основным интересом, возникшим в годы учебы Льюиса в Гарварде, была его теория валентности. В 1902 году, пытаясь объяснить законы валентности своим студентам, Льюис задумал идею о том, что атомы состоят из концентрических рядов кубов с электронами в каждом углу. Этот «кубический атом» объяснял цикл из восьми элементов в периодической таблице и соответствовал широко распространенному мнению о том, что химические связи образуются путем передачи электронов, чтобы дать каждому атому полный набор из восьми. Эта электрохимическая теория валентности нашла свое наиболее подробное выражение в работе Ричарда Абегга в 1904 году [39] , но версия этой теории Льюиса была единственной, которая была воплощена в конкретной атомной модели. И снова теория Льюиса не заинтересовала его наставников из Гарварда, которые, как и большинство американских химиков того времени, не имели вкуса к таким спекуляциям. Льюис не опубликовал свою теорию кубического атома, но в 1916 году она стала важной частью его теории связи общей электронной пары.
В 1916 году он опубликовал свою классическую работу о химической связи « Атом и молекула » [40], в которой он сформулировал идею того, что станет известно как ковалентная связь , состоящая из общей пары электронов, и он определил термин нечетная молекула (современный термин — свободный радикал ), когда электрон не является общим. Он включил то, что стало известно как точечные структуры Льюиса , а также кубическую модель атома . Эти идеи о химической связи были расширены Ирвингом Ленгмюром и стали вдохновением для исследований природы химической связи Лайнусом Полингом .
В 1923 году он сформулировал электронную парную теорию кислотно-основных реакций . В этой теории кислот и оснований «кислота Льюиса» является акцептором электронной пары , а «основание Льюиса» — донором электронной пары . [41] В этом году он также опубликовал монографию о своих теориях химической связи. [42]
На основе работы Дж. Уилларда Гиббса было известно, что химические реакции протекают до равновесия , определяемого свободной энергией веществ, принимающих участие. Льюис потратил 25 лет на определение свободных энергий различных веществ. В 1923 году он и Мерл Рэндалл опубликовали результаты этого исследования, [43] которые помогли формализовать современную химическую термодинамику .
Льюис был первым, кто получил чистый образец оксида дейтерия ( тяжелой воды ) в 1933 году [44] и первым, кто изучал выживание и рост форм жизни в тяжелой воде. [45] [46] Ускоряя дейтроны ( ядра дейтерия ) в циклотроне Эрнеста О. Лоуренса , он смог изучить многие свойства атомных ядер. [47] В 1930-х годах он был наставником Гленна Т. Сиборга , который был нанят для постдокторской работы в качестве личного научного помощника Льюиса. Сиборг впоследствии получил Нобелевскую премию по химии 1951 года и еще при жизни назвал в его честь элемент сиборгий .
В 1924 году, изучая магнитные свойства растворов кислорода в жидком азоте , Льюис обнаружил, что образуются молекулы O4. [ 48] Это было первое доказательство существования четырехатомного кислорода .
В 1908 году он опубликовал первую из нескольких статей по теории относительности , в которой он вывел соотношение массы и энергии иным способом, чем вывод Альберта Эйнштейна . [10] В 1909 году он и Ричард К. Толмен объединили свои методы со специальной теорией относительности . [49] В 1912 году Льюис и Эдвин Бидвелл Уилсон представили крупную работу по математической физике, в которой не только применялась синтетическая геометрия к изучению пространства-времени , но и отмечалась идентичность отображения сжатия пространства-времени и преобразования Лоренца . [50] [51]
В 1926 году он ввел термин « фотон » для наименьшей единицы лучистой энергии (света). На самом деле, результат его письма в Nature оказался не таким, как он предполагал. [52] В письме он предположил, что фотон является структурным элементом, а не энергией . Он настаивал на необходимости новой переменной — числа фотонов . Хотя его теория отличалась от квантовой теории света, введенной Альбертом Эйнштейном в 1905 году, его имя было принято для того, что Эйнштейн назвал квантом света (Lichtquant на немецком языке).
В 1921 году Льюис первым предложил эмпирическое уравнение, описывающее неспособность сильных электролитов подчиняться закону действующих масс , проблема, которая озадачивала физико-химиков в течение двадцати лет. [53] Позднее было подтверждено, что его эмпирические уравнения для того, что он называл ионной силой, соответствуют уравнению Дебая-Хюккеля для сильных электролитов, опубликованному в 1923 году.
В течение своей карьеры Льюис публиковал работы по многим другим темам, помимо упомянутых в этой статье, от природы квантов света до экономики стабилизации цен. В последние годы своей жизни Льюис и аспирант Майкл Каша , его последний научный сотрудник, установили, что фосфоресценция органических молекул включает в себя испускание света одним электроном в возбужденном триплетном состоянии (состояние, в котором два электрона имеют свои спиновые векторы, ориентированные в одном направлении, но на разных орбиталях) и измерили парамагнетизм этого триплетного состояния. [54]
Мы склонны думать о веществах как о обладающих кислотными или основными свойствами, не имея в виду конкретный растворитель. Мне кажется, что с полной общностью мы можем сказать, что
основное вещество — это такое, которое имеет неподеленную пару электронов, которая может быть использована для завершения стабильной группы другого атома
, и что
кислотное вещество — это такое, которое может использовать неподеленную пару из другой молекулы
для завершения стабильной группы одного из своих собственных атомов. Другими словами, основное вещество предоставляет пару электронов для химической связи, кислотное вещество принимает такую пару.