吉爾伯特·路易斯

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吉爾伯特·路易斯
Gilbert Lewis
出生 (1875-10-23)1875年10月23日
 美國麻省韋茅斯
逝世 1946年3月23日(1946-03-23)(70歲)
 美國加州柏克萊
国籍  美國
母校 哈佛大學
知名于 共價鍵
路易斯結構
外層電子
路易斯酸鹼
化學熱力學
重水
光子命名者
首先解釋磷光
奖项 皇家学会会士英语Fellow of the Royal Society
威拉德·吉布斯奖英语Willard Gibbs Award(1924年)
戴维奖章(1929年)
科学生涯
研究領域 物理化學
机构 哈佛大學
麻省理工學院
柏克萊加州大學
博士導師 西奧多·威廉·理查茲
博士生 哈羅德·尤里

吉爾伯特·路易斯Gilbert Lewis,英国皇家学会外籍院士[1]1875年10月23日-1946年3月23日[2])是一位美國物理化學家,以路易斯結構表示法而知名,這是一種用來表達分子上電子分布的結構圖。此外,他也是化學熱力學的建立者之一。並且於1926年,創造了「光子」(英语:photon)一詞,用以表示輻射能的最小單位。路易斯成功地为热力学光化学,和同位素分离做出了贡献,也因其酸和碱的概念而闻名[3]

生平[编辑]

早年[编辑]

路易斯在马萨诸塞州的维摩斯出生并长大,此处有一条街和当地高中的化学部分后以其命名。路易斯最早在家中由父母教育。1884年路易斯家搬到了内布拉斯加州的林肯,1889年他进入内布拉斯加大学的预科学校就读。1893年,在内布拉斯加大学就读两年的路易斯转入哈佛大学,1896年他获得学士学位。在麻省菲利普斯学院执教一年后,他回到哈佛在物理化学家理查兹指导下进行研究,于1899年以电化学势的论文获得博士学位。在哈佛任教一年之后,他获得奖学金,到当时物理化学研究的中心-德国,在能斯特和奥斯特瓦尔德指导下进行研究。[4] 在能斯特的实验室工作室,能斯特和路易斯逐渐产生终生敌意。在之后的很多年里,路易斯在很多场合批评和贬低能斯特[5] 能斯特的朋友威廉·巴耳末后来担任诺贝尔奖评审委员,就曾阻止诺贝尔奖授予路易斯在热力学上的贡献。[6]

哈佛、马尼拉和麻省理工[编辑]

离开能斯特的实验室之后,路易斯回到哈佛担任了三年教师。讲授热力学和电化学教程。1900和1901年路易斯发表了两篇野心勃勃且篇幅很长的论文,介绍了活度逸度的概念[7]路易斯早期的论文也体现了他对约西亚·维拉德·吉布斯比埃尔·杜亥姆关于自由能和热力学势的深刻认识。这些思想当时被物理学家和数学家接受,但大多数关注实际的化学家并不接受。路易斯从逸度中推导出了自由能,他试图推导出熵函数的精确描述,但是失败了。直到1907年,能斯特才给出来计算熵的办法。在哈佛时,路易斯还曾写过一篇关于黑体辐射的热力学的文章。在其中他假设光有压力。由于他的合作者的保守,路易斯没发表这篇文章,但从此时他就对辐射、量子力学和相对论感兴趣了。根据吉布斯的工作,化学反应会趋近于由反应物的热力学自由能决定的平衡状态。路易斯用了二十五年时间测定很多纯净物的自由能,1923年他和Merle Randall发表了这方面的研究[8]这一研究形成了现代化学热力学。

1904年路易斯被授予停薪留职,担任菲律宾马尼拉的科學局度量衡部門的主管。1905年他回到麻省,到麻省理工学院任教,加入了阿瑟·阿莫斯·挪亚斯所领导的杰出物理化学家团队。逐次升任助理教授(1907年)、副教授(1908年),以至正教授(1911年)。翌年,他离开麻省理工,担任伯克利大学化学学院院长。其後一直在該校,以迄去世。

共价键理论[编辑]

1902年左右,路易斯提出一种原子表示法,将原子画成立方体,然后在立方体的角上画电子,这可以解释周期表中第二三周期都是八个电子,和元素通过得失电子达到八电子稳定的八隅律。 但这一理论不为哈佛的教师们欢迎,路易斯也就没有发表。1916年,路易斯发表了他的经典论文 The Atom and the Molecule"[9]。在这篇论文中,他提出了原子通过共用电子形成共价键,从而达到八电子稳定结构的理论;他使用路易斯结构式来表达共用电子对,还指出某些分子只有单电子(即现在所说的自由基)。路易斯的价键理论被厄文·郎格缪尔发扬光大,最终启发了利纳斯·鲍林对化学键本质的研究。

相对论[编辑]

1908年路易斯发表了一篇有关相对论的文章,在其中他用和爱因斯坦不同的方法推导出了质能关系[10]1912年,路易斯和威尔逊发表了重要的工作,不仅应用合成几何学在对空间时间的研究上,也注意到控制时间的和洛伦茨变换的等效性[11][12]

酸碱电子理论[编辑]

1923年,路易斯给予电子对的得失提出了自己的酸碱理论。在路易斯的理论中,可以得到电子对的被称为酸,而给出电子对的被称为碱[13]1921年路易斯首先用经验方程来解决强电解质溶液不满足质量作用定律这个问题,他基于离子强度所发展的经验公式后来被证明与1923年德拜-休克尔方程等效。

重水[编辑]

1933年,路易斯首先提纯出了重水[14]并且研究了重水环境下生命的存活和生长形式[15][16]Glenn T. Seaborg曾作为博士后接受过路易斯的指导。 1913年,路易斯被选入美国科学院。1934年他从科学院辞职,这可能是抗议当年的诺贝尔奖授予了他的学生哈罗德·尤里,路易斯自己认为他可以因对重水的纯化和表征和尤里分享诺贝尔奖。[17]

其他成就[编辑]

1924年,通过研究氧在液氮溶液的磁性,他发现了O4分子的存在[18]

1926年,路易斯创造了光子"photon"这个词,用于表达组成的结构单元,但后来被爱因斯坦借用表示光量子。[19]

参阅[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Hildebrand, J. H. Gilbert Newton Lewis. 1875-1946. Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. 1947, 5 (15): 491. doi:10.1098/rsbm.1947.0014. 
  2. ^ Gilbert Newton Lewis: American chemist (1875-1946), Woodrow Wilson Leadership Program in Chemistry 互联网档案馆存檔,存档日期2007-04-01.
  3. ^ Davey, Stephen. The legacy of Lewis. Nature Chemistry. 2009, 1 (1): 19–19 [2017-04-02]. ISSN 1755-4330. doi:10.1038/nchem.149. 
  4. ^ Edsall, J. T. Some notes and queries on the development of bioenergetics. Notes on some "founding fathers" of physical chemistry: J. Willard Gibbs, Wilhelm Ostwald, Walther Nernst, Gilbert Newton Lewis. Mol. Cell. Biochem. November 1974, 5 (1–2): 103–12. PMID 4610355. doi:10.1007/BF01874179. 
  5. ^ 10 Fierce (But Productive) Rivalries Between Dueling Scientists Radu Alexander. Website of Listverse Ltd. April 7th 2015. Retrieved 2016-03-24.
  6. ^ Coffey (2008): 195-207.
  7. ^ Lewis, G.N. The osmotic pressure of concentrated solutions, and the laws of the perfect solution. J. Am. Chem. Soc. 1908, 30 (5): 668–683. doi:10.1021/ja01947a002. 
  8. ^ Lewis, G. N. and Merle Randall (1923) Thermodynamics and the Free Energies of Chemical Substances. McGraw-Hill.
  9. ^ Lewis G.N. (1916) The atom and the molecule. J. Amer. Chem. Soc. Vol. 38, no. 4.
  10. ^ Lewis, G. N. A revision of the Fundamental Laws of Matter and Energy. Philosophical Magazine. 1908, 16 (95): 705–717. doi:10.1080/14786441108636549. 
  11. ^ Wilson, Edwin B.; Lewis, Gilbert N. The Space-time Manifold of Relativity. The Non-Euclidean Geometry of Mechanics and Electromagnetics. Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 1912, 48: 387–507. 
  12. ^ Synthetic Spacetime, a digest of the axioms used, and theorems proved, by Wilson and Lewis. Archived by WebCite
  13. ^ Lewis, G. N. (1926) Valence and the Nature of the Chemical Bond. Chemical Catalog Company.
  14. ^ Lewis, G. N.; MacDonald, R. T. Concentration of H2 Isotope. The Journal of Chemical Physics. 1933, 1 (6): 341. Bibcode:1933JChPh...1..341L. doi:10.1063/1.1749300. 
  15. ^ Lewis, G. N. The biochemistry of water containing hydrogen isotope. Journal of the American Chemical Society. 1933, 55 (8): 3503–3504. doi:10.1021/ja01335a509. 
  16. ^ Lewis, G. N. The biology of heavy water. Science. 1934, 79 (2042): 151–153. Bibcode:1934Sci....79..151L. PMID 17788137. doi:10.1126/science.79.2042.151. 
  17. ^ Coffey (2008): 221-22.
  18. ^ Lewis, Gilbert N. The magnetism of oxygen and the molecule O4. Journal of the American Chemical Society. 1924-09-01, 46 (9): 2027–2032. ISSN 0002-7863. doi:10.1021/ja01674a008. 
  19. ^ Lewis, G.N. The conservation of photons. Nature. 1926, 118 (2981): 874–875. Bibcode:1926Natur.118..874L. doi:10.1038/118874a0. 

外部連結[编辑]