现代化学符号
早在 19 世纪下半期,在阿伦尼乌斯建立了电离理论以后,化学家们对酸碱的认识深入了一步,用离子理论解释酸和碱。于是,在氢或氢氧组成的基团右上角标上“+”或“-”(正号和负号)作为正、负离子的符号。
1923 年,路易斯在《价以及原子和分子的结构》中改进了对电子对键的表示方法,他提出用“∶”表示化合物中原子之间的化学键,“∶”相当于化学结构式中的短线“—”。例如:
H∶H H∶Cl F∶F
在这些表达式中,每一个“∶”符号都相当于原先的“—”,它代表一对电子,表示由一对电子形成的化学键。“∶”符号较之“—”符号,更形象、更直观地表示出了化学键的物质载体,同时“∶”在一定程度上表示出了“—”符号所代表的含义,表示出了“—”符号的实质。在这个意义上说, 从“—”到“∶”,标志着科学认识的进步和深化,同时,“∶”可以说是符号的符号,即“—”符号的符号。
就在同一年,即 1923 年,西奇维克(N·V·Sidgwick)想到,既然共享电子对可以构成原子间的化学键,那么由一个原子提供一对电子与另一原子共享,也应当能够形成化学键,他将这种键叫做“配键”,并用箭头“→” 表示。
在量子化学理论中,也有一套符号,除了数学符号以外,由于历史的原因,物理学家们把角量子数 L=0,1,2,3,4 的电子分别叫做 s,p,d,f, g 电子,相应的原子轨道也分别称为 s 轨道,p 轨道,d 轨道,f 轨道等,并由核算起,分别标上阿拉伯数字,表示成 1s,2s,3s,⋯,2p,3p,4p⋯等轨道,这些都是量子化学中不可缺少的符号。
现代化学一方面继承了近代化学的符号体系,另一方面又随着化学的发展增加了新的符号。尽管如此,仍然不能完全满足化学的需要,仍然有一些问题,现有的符号不能满意地表示出来。
迄今为止,化学中的符号表示法基本上是从贝采里乌斯那里继承下来的。在贝采里乌斯时代,化学家们研究的分子比较简单,或它本身是复杂的
但人们认为是简单的。化学家们采用的符号表示法基本上可以表达分子的组成、结构、性质及化学反应。可是,由于化学分析技术和方法的发展,特别是现代仪器分析的发展和晶体结构分析方法的发展,对许多固态无机化合物的结构和性质获得了新认识,原有的符号表示方法就显得不够用了。例如, 像 NaCl,CdS 或 CuI 等分子式既不能说明它们的结构特征,也不能告诉人们是否还存在其他变体。类似的化学符号体系(分子式),就连实在固体中的配位关系都没有表示出来。正是基于此种情况,不少人曾经试图将贝采里乌斯的符号表示法经过改进应用于固体化学领域,例如,尼格列(Niggli)最先将 SiO2 写成 SiO4/2,其意思表示 SiO2 型式中所有 O(超石英除外)每个与
2 个 2Si4+桥接;NaCl 可写成 NaCl6/6,表示每个 Na 为 6 个 Cl 所围绕,每个Cl 也为 6 个 Na 所围绕。这样的符号表示法称为官能度构型①。即使如此,官能度构型也不能表现固体化合物的全部复杂情况,因为固体化合物的真实情况是极其复杂、极其多样的,人们的认识越深入揭示的化合物的真实面貌越令人吃惊,原有的符号表示法越显得贪乏,难怪有的化学家企盼着“何时能有贝采里乌斯式的一代新人崛起”?!
符号表示法在有机化学中同样也遇到了挑战。在有机化学结构理论建立初期,价键结构符号表示法(化学结构式)曾使化学家们感到十分满意。但是,曾几何时,这种符号表示法就发生了困难。例如,凯库勒提出的苯的价键结构式 它主要满足了碳的四价学说和苯的组成(C6H6)的要求,但是, 它不能解释进一步的实验事实,如苯分子中六个 C—C 是完全等同的,并不像单双键结构式所表示的那个样子;苯分子很稳定,不像双键表示的烯类化合物那样活泼;它容易发生取代反应,也不像烯类化合物容易发生加成反应。基于这些实验事实,鲍林用共振来解释,现代理论用大π键来说明,大π键如何用简单符号或符号体系来表示?我们在现代有机化学教科书中看到的是图形表示,而非简单符号表达。与此相联系,在一些存在双键的化合物中, 电子对发生转移改变了化合物的性质,例如,劳瑞(T·M·Lowry)在 1923 年首先注意到这种现象,可用下式表示:
R2N-CH=CH-CH=O
转移的结果使 R2N-CH=CH-CH=O 变成了 R2N=CH-CH=CH-O,在这种解释中, 伴随着新的弯曲箭头符号;在共振论解释中用共振符号“ ”来表示。弯曲箭头符号,在现代有机化学教科书中仍然可以看到。
在现代量子化学中,除了引入了量子力学符号(大多是数学符号)以外, 如何用传统的化学符号表示分子的结构,应当说是个没有解决的问题。只要翻开有关的量子化学教科书就不难发现,传统的元素符号、组成和结构的符号表达式不见了,代之出现的是轨道符号和由轨道符号组成的复杂图形,如氢分子的能量曲线图,电子云分布等密度曲线图,轨道示意图和能级图,等等。
总之,近代化学所留传下来的符号仍然继续被使用着,同时由于现代化学的发展提出了新的要求,化学家们又陆续创造了一些新的化学符号。随着化学的发展,化学符号也将会继续变化和发展。
① 参见《现代化学译丛》,上海科学技术文献出版社,1981 年版,第五辑,第 75~76 页。