6 化学键
这一方法将会弄清楚所有的硅酸盐结构。
照鲍林的说法,“布拉格认为这是他的领地。”但是鲍林闯了进来,粗暴地唤醒了主人。鲍林同样对硅酸盐深感兴趣,并决心给布拉格制造一些竞争压力。尽管这位英国科学家只比他大11岁,鲍林仍认为布拉格“属于老一辈物理学家,他在前面披荆斩棘,而我则设法跟上。”布拉格的紧密排列法是一个良好的开端,然而鲍林觉得有另外的方法可以使人得到更佳的结果。
和布拉格一样,鲍林把这一类型的晶体中的离子设想为一定大小的球体,而且他透彻地知道这些球体的大小——毕竟鲍林是运用量子力学方法来确定离子半径的第一人。但是在对这些球体性质的认识上,他俩的观点不尽相同。布拉格认为离子晶体没有更小的分子形式的结构——他将它们看作是单独离子的延伸,就如他和父亲在食盐中发现的那样——而鲍林认为硅酸盐含有基本单位。比如说,硅的性质和碳十分相似;它与四个氧原子成键时也形成一个四面体。布拉格认为,氧原子在离子晶体中常常六个一组构成一个八面体。四面体和八面体:鲍林就是从这些基本的构造形式开始入手的。
对此进行了深入思考之后,鲍林取得了突破。他将自己在量子力学、离子大小、已发表的晶体结构和化学规则方面的知识天才地综合起来,提出了一套关于最有可能的结构形式的简单规则。其中最重要的一条称为静电价规则,以已知原子和其他原子成键的能力,即原子价为基础,来确定在某一角上有多少原子会彼此联结。这里的关键是,在这些矿物质中,一个中心原子的原子价会被周围带相反电荷的离子按比例分配。其他的规则涉及到对面和棱的共用。把这些规则组合在一起,同时也考虑到布拉格的紧密组合思想,鲍林概括出一种相对简单的程序,通过这一程序就可以一步一步地排除不可能的晶体结构并预测最有可能的形式。
他在1928年下半年最先在一系列论文上发表了自己的规则,作为对索末菲60岁生日的献礼。对于一位教会他动用一切工具以得到解决方案的老师来说,这是一份最恰当不过的寿礼了。第二年,他在《美国化学学会学报》上更加详尽地阐述了自己的理论。很快,他的理论在晶体学家中被称作为“鲍林规则”。这些规则十分管用。在他最初的一些论文中,鲍林运用自己的规则解决了两个复杂的硅酸盐晶体结构,就是板钛矿和黄玉。鲍林规则使X射线晶体学得以解决以前不可能解决的复杂构造。
但是,鲍林所做的并不仅仅是提出了这些规则。在对硅酸盐的研究中,鲍林设计了一种解决复杂的X射线晶体构造的完整程序,在后来的几十年中,他将不断地求助于这种方法。首先,他利用已知的化学原则,建立了一套结构的规则。如果规则是严谨的话,单纯的化学因素就可以排除许多理论结构,只留下几个最有可能的构造。接着,鲍林把剩下的几种可能做成模型,以辨别哪种是最佳的。通过模型,他可以立体地来审视这些结构,看一下哪些合理,哪些不合理,并不断地摆弄和调整这些模型,直到合适为止。如果模型显示某一构造的原子组合太紧或是太松,那么也可以将这些结构排除在外。最后只剩下一个最有可能的模型。将这一假设的原子结构的特性,包括它可能产生的X射线衍射图谱,与实际的物质作比较,如果符合的话,就可以认为这一结构是正确的。
综合自己的化学和物理知识,加上自己对模型的新兴趣,鲍林已能轻松自如地得到有关的结果,而别人仍陷在令人困惑的X射线数据的泥潭中不能自拔。几年以后,鲍林向他的一位朋友卡尔·达罗阐述了自己的方法,因为后者告诉他,这种方法已经有一个称谓:随机法。达罗请鲍林看一本1909年出版的化学教科书,其中作者谈到了这个早已不用的希腊词,翻译过来的意思就是“通过