หนังสือเรื่องพันธะของ
Linus Pauling นำกลศาสตร์ควอนตัมมาสู่วิชาเคมีเชิงปฏิบัติ ฟิลิป บอลล์พบธรรมชาติของพันธะเคมี ธรรมชาติของพันธะเคมีของ Linus Pauling เช่น Principia ของ Isaac Newton หรือ On the Origin of Species ของ Charles Darwin สถานะที่เป็นสัญลักษณ์ซึ่งสำหรับบางคน ได้ขจัดภาระหน้าที่ในการอ่าน นักเคมีทุกคนเรียนรู้เกี่ยวกับบทบาทของ Pauling ในการรวมมุมมองของโมเลกุลเป็นการรวมตัวของอะตอมด้วยภาพเชิงควอนตัมของฟังก์ชันคลื่นปรมาณู แต่หนังสือของเขายาวและเป็นคณิตศาสตร์ และมีแนวทางที่หลากหลายมากขึ้นนับตั้งแต่ตีพิมพ์ในปี 1939 อย่างไรก็ตาม กว่า 70 ปีที่ผ่านมา ในขณะที่เราเตรียมการสำหรับปีเคมีสากล 2011 มันยังคงเป็นสีรองพื้นที่ดีอย่างน่าประหลาดใจเกี่ยวกับพันธะเคมีที่ แปลทฤษฎีควอนตัมนามธรรมเป็นภาษาเชิงปฏิบัติของวิชาเคมี
เมื่อหนังสือของ Pauling ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรก หนังสือเรียนบางเล่มยังคงนำเสนอมุมมองของสายสัมพันธ์ในศตวรรษที่สิบเก้า คำนี้ถูกนำมาใช้ในปี พ.ศ. 2409 โดยนักเคมีชาวอังกฤษ เอ็ดเวิร์ด แฟรงก์แลนด์ ซึ่งถือว่าพันธะเคมีเป็นแรงที่คล้ายกับแรงโน้มถ่วง Jöns Jakob Berzelius สงสัยว่าแรงนั้นเป็นไฟฟ้าสถิตซึ่งเป็นแรงดึงดูดของไอออนที่มีประจุตรงข้าม มุมมองดังกล่าวได้รับการสนับสนุนโดยการค้นพบอิเล็กตรอนในปี พ.ศ. 2440 เนื่องจากไอออนอาจเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอม
แต่ G.N. Lewis จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ โต้แย้งว่าพันธะอาจเกิดจากการแบ่งปันอิเล็กตรอน ไม่ใช่การแลกเปลี่ยน อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันก่อให้เกิดสิ่งที่เออร์วิงก์แลงเมียร์เรียกว่าพันธะโควาเลนต์ซึ่งเชื่อมโยงอะตอมที่เป็นกลาง ในปีพ.ศ. 2459 ลูอิสแนะนำว่าอะตอมมีความเสถียรโดยการมีอิเลคตรอน ‘ออกเตต’ เต็ม ซึ่งเขาเห็นว่าเป็นมุมของลูกบาศก์ ออคเต็ตอาจจะทำให้สมบูรณ์ได้โดยการเชื่อมมุมหรือขอบกับอะตอมที่อยู่ติดกัน
แบบจำลองซึ่งได้รับความนิยม (หรือในมุมมองที่ขมขื่นของ Lewis เหมาะสม) โดย Langmuir ดูเหมือนจะพิสูจน์ได้เมื่อนักฟิสิกส์ Niels Bohr อธิบายว่า octets เกิดขึ้นจากทฤษฎีควอนตัมเป็นเปลือกอิเล็กตรอนแบบแยกส่วนได้อย่างไร
“จากแนวหน้าของฟิสิกส์ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นหนังสือของนักเคมี”
แต่เนื่องจากพิจารณาเฉพาะอะตอม
เท่านั้น นี่จึงเป็นการต่อยอดพื้นฐานของทฤษฎีควอนตัมกับแนวคิดที่นักเคมีใช้ในการหาเหตุผลเข้าข้างตนเองของสูตรโมเลกุล Pauling ชายหนุ่มผู้มีพรสวรรค์อย่างยิ่งจากครอบครัวที่ยากจนในโอเรกอน ผู้ได้รับรางวัลทุนการศึกษาจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย (Caltech) อันทรงเกียรติในปี 1922 เชื่อมั่นว่าพันธะเคมีจำเป็นต้องเข้าใจจากหลักการของควอนตัมเฟิร์ส เขาไม่ได้อยู่คนเดียว — Richard Tolman จาก Caltech มีมุมมองแบบเดียวกัน แต่พอลลิ่งมีโอกาสทองในการพัฒนาสิ่งนี้ เมื่อในปี พ.ศ. 2469 เขาได้เดินทางไปยุโรปโดยได้รับทุนจากกุกเกนไฮม์เพื่อไปเยี่ยมสถาปนิกของทฤษฎีควอนตัม: บอร์ที่โคเปนเฮเกน, อาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ที่มิวนิก และเออร์วิน ชโรดิงเงอร์ที่ซูริก นอกจากนี้ เขายังได้พบกับ Fritz London และนักเรียนของเขา Walter Heitler ซึ่งในปี 1927 ได้ตีพิมพ์คำอธิบายเชิงควอนตัมกลของโมเลกุลไฮโดรเจน พวกเขาพบวิธีประมาณในการเขียนฟังก์ชันคลื่นของโมเลกุล ซึ่งเมื่อใส่เข้าไปในสมการชโรดิงเงอร์ ทำให้พวกเขาคำนวณพลังงานยึดเหนี่ยวซึ่งสอดคล้องกับการทดลองอย่างสมเหตุสมผล
Pauling สรุปการรักษานี้เป็นแบบจำลองวาเลนซ์บอนด์ ซึ่งถือว่าพันธะเคมีจะเกิดขึ้นจากการทับซ้อนกันของออร์บิทัลอิเล็กตรอนอะตอมเดี่ยว เขาเสนอแนวคิดเรื่อง ‘เรโซแนนซ์’ ในโมเลกุล ซึ่งสามารถวาดโครงสร้างเวเลนซ์-บอนด์ได้มากกว่าหนึ่งโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น ใน H2+ อิเล็กตรอนเดี่ยวสามารถพิจารณาได้ว่าอยู่บนอะตอมไฮโดรเจนทั้งสองอะตอม และโมเลกุลดังกล่าวจะสะท้อนระหว่างทางเลือกอื่น ในกรณีเช่นนี้ สถานะผสมจะมีพลังงานต่ำกว่าโครงสร้างที่มีส่วนร่วมใดๆ
เรขาคณิตใหม่
Pauling ยังเสนอด้วยว่า ‘ลูกผสม’ ของออร์บิทัลอิเล็กตรอนของอะตอมกับรูปทรงใหม่อาจเกิดขึ้นในบางโมเลกุล ตัวอย่างเช่น ในมีเธน อะตอมของคาร์บอนที่อยู่ตรงกลางจะเกาะติดกับอะตอมไฮโดรเจนสี่อะตอมในรูปทรงจัตุรมุข การกำหนดค่านี้สามารถหาเหตุผลเข้าข้างตนเองเป็นการผสมทางคณิตศาสตร์ของอะตอม 2s และออร์บิทัล 2p สามออร์บิทัลในคาร์บอนเพื่อให้ออร์บิทัล sp3 ไฮบริดแบบกระจายแบบเตตระฮีดราลีสี่ออร์บิทัล แนวคิดเกี่ยวกับการสั่นพ้องและการผสมพันธุ์เหล่านี้ได้รับการตีพิมพ์ในบทความชุดหนึ่งในปี พ.ศ. 2471-2574 ซึ่งเป็นแกนหลักของธรรมชาติของพันธะเคมี
