Гилберт Ньютон Льюис

Гилберт Ньютон Льюис (англ. Gilbert Newton Lewis; 23 октября 1875, Уэймут, Массачусетс — 23 марта 1946, Беркли, Калифорния) — американский физикохимик, один из основоположников современной химической термодинамики, создатель теории электронных пар и концепции ковалентной связи. Внёс фундаментальный вклад в развитие представлений о химической связи, термодинамике, фотохимии и изотопной химии. Автор термина «фотон» (1926) и концепции кислот и оснований Льюиса.

Биография

Ранние годы и образование

Гилберт Ньютон Льюис родился 23 октября 1875 года в городе Уэймут (штат Массачусетс) в семье юриста Фрэнка Уэсли Льюиса и Мэри Берр Уайт Льюис. В 1884 году семья переехала в Линкольн (Небраска), где Льюис получил начальное домашнее образование. В 1893 году поступил в Университет Небраски, но через год перевёлся в Гарвардский университет. В 1896 году получил степень бакалавра, а в 1899 году — докторскую степень (Ph.D.) под руководством Теодора Уильяма Ричардса.

Академическая карьера

После защиты диссертации Льюис стажировался в Лейпцигском университете у Вильгельма Оствальда и в Гёттингенском университете у Вальтера Нернста. В 1900 году вернулся в Гарвард, где работал ассистентом, а затем инструктором. В 1904 году перешёл в Массачусетский технологический институт (MIT), где начал активные исследования в области термодинамики. В 1912 году стал деканом химического факультета Калифорнийского университета в Беркли, где проработал до конца жизни. Под его руководством факультет превратился в один из ведущих мировых центров химической науки.

Смерть

23 марта 1946 года Гилберт Льюис был найден мёртвым в своей лаборатории в Беркли, работая над опытами с цианистым водородом. Официальная причина смерти — сердечный приступ, хотя ходили слухи о возможном самоубийстве. На момент смерти ему было 70 лет.

Научные достижения

Термодинамика и химическая энергия

В 1900-1910-х годах Льюис разработал основы современной химической термодинамики. Он ввёл понятие активности (термодинамической активности) как меры эффективной концентрации вещества в растворах, учитывающей отклонения от идеального поведения. В 1907 году совместно с Эллиотом Кендаллом предложил концепцию ионной силы раствора, позволяющую рассчитывать коэффициенты активности электролитов. В 1923 году совместно с Мерлом Рэндаллом опубликовал монографию «Термодинамика и свободная энергия химических веществ», ставшую классическим учебником.

Теория химической связи

Льюис является создателем электронной теории валентности. В 1916 году он опубликовал статью «Атом и молекула», в которой предложил, что химическая связь образуется за счёт обобществления двух электронов (электронная пара). Эта идея легла в основу современного понимания ковалентной связи. Льюис ввёл понятие структур Льюиса (точечных диаграмм), где валентные электроны изображаются точками вокруг символов атомов. Он также объяснил образование ионных связей как перенос электронов от одного атома к другому.

Кислоты и основания Льюиса

В 1923 году Льюис предложил расширенное определение кислот и оснований, основанное на способности принимать или отдавать электронные пары:

• Кислота Льюиса — вещество, способное принять электронную пару (акцептор).
• Основание Льюиса — вещество, способное отдать электронную пару (донор).

Это определение охватывает гораздо более широкий круг реакций, чем классические теории Аррениуса и Брёнстеда-Лоури, и широко используется в современной химии.

Фотохимия и изотопы

В 1920-1930-х годах Льюис занимался фотохимией. Он ввёл термин «фотон» (1926) для обозначения кванта света, хотя сам термин не получил немедленного признания (впоследствии был популяризирован). В 1933 году он впервые выделил чистый образец тяжёлой воды (D₂O), содержащей изотоп дейтерий, открытый Гарольдом Юри. Льюис также изучал свойства трития и занимался разделением изотопов.

Квантовая химия и теория цвета

Льюис внёс вклад в понимание электронных состояний молекул. Он разработал теорию цветности органических соединений, объясняя окраску молекул наличием сопряжённых π-электронных систем. В 1940-х годах он работал над теорией магнетизма и парамагнетизма, а также над свойствами свободных радикалов.

Личные качества и педагогическая деятельность

Льюис был известен как строгий, но вдохновляющий преподаватель. Он создал в Беркли уникальную научную школу, воспитавшую множество выдающихся химиков, включая Гленна Сиборга, Уилларда Либби и Мелвина Калвина (все — лауреаты Нобелевской премии). Льюис отличался нелюбовью к публичным выступлениям и бюрократии, предпочитая лабораторную работу. Он был дважды номинирован на Нобелевскую премию по химии (в 1922 и 1923 годах), но так и не получил её, что считается одной из самых досадных ошибок Нобелевского комитета.

Критика и наследие

Хотя теория Льюиса о химической связи была революционной, она не сразу получила признание. Многие химики того времени придерживались старых электростатических моделей. Лишь после работ Лайнуса Полинга в 1930-х годах идеи Льюиса стали общепринятыми. В фотохимии его концепция фотона также вызвала споры, но впоследствии была подтверждена. Льюис не получил Нобелевской премии, однако его вклад в науку признан одним из величайших в XX веке. В его честь названы:

• Кислоты и основания Льюиса — фундаментальная концепция.
• Структуры Льюиса — метод изображения молекул.
• Число Льюиса — критерий подобия в тепло- и массообмене.
• Кратер Льюис на Луне (назван в 1970 году).
• Премия имени Гилберта Ньютона Льюиса — награда Американского химического общества.

Основные труды

• Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances (1923, совместно с Мерлом Рэндаллом)
• Valence and the Structure of Atoms and Molecules (1923)
• The Anatomy of Science (1926)
• The Chemical Bond (1939, совместно с Мелвином Калвином)

Интересные факты

• Льюис был одним из первых, кто предложил использовать символ «→» для обозначения химической реакции.
• Он разработал метод получения тяжёлой воды, который позже использовался в Манхэттенском проекте.
• Льюис никогда не носил лабораторный халат, считая это излишним.
• Он был страстным шахматистом и играл в шахматы с Альбертом Эйнштейном.
• Льюис отказался от предложения возглавить химический факультет в Гарварде, предпочтя остаться в Беркли.

Источники

• Hildebrand, J. H. «Gilbert Newton Lewis». Biographical Memoirs of the National Academy of Sciences, 1958.
• Coffey, P. «Cathedrals of Science: The Personalities and Rivalries That Made Modern Chemistry». Oxford University Press, 2008.
• Lewis, G. N. «The Atom and the Molecule». Journal of the American Chemical Society, 1916.
• Lewis, G. N., Randall, M. «Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances». McGraw-Hill, 1923.
• Servos, J. W. «Physical Chemistry from Ostwald to Pauling: The Making of a Science in America». Princeton University Press, 1990.