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诺贝尔化学奖历史上的遗珠之憾

望羲 科学大院 2020-11-11


(图片来源:诺贝尔奖官网)


诺贝尔奖(以下简称“诺奖”)已经走过整整两个甲子。在过去的120年中,化学诺奖得主群星熠熠,皆为一时之选。但也有很多化学家,他们为化学事业做出过巨大贡献,他们的研究成果在化学课本中一直占据着重要的位置,却没有获得诺贝尔化学奖


不得不说,这些是诺贝尔化学奖的遗珠之憾。


门捷列夫:可能是诺奖最大的黑点


门捷列夫(图片来源:wiki)


所有接受过义务教育的人都知道,初中化学课本就开始讲授的元素周期表,是俄国化学家门捷列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev,1834-1907)深刻理解了化学元素之间的周期性规律,在1869年编制出来的。但就是这样一个为化学做出巨大贡献的人,却在1905年和1906年连续两次与诺贝尔化学奖失之交臂。1907年,门捷列夫逝世。


第一版英文周期表(根据俄文第五版翻译)

(图片来源:wiki)


2019年是元素周期表诞生150周年,联合国大会将这一年定为“国际化学元素周期表年”,并且评价道:“元素周期表是科学史上最卓越的发现之一,刻画出的不仅是化学的本质,也是物理学和生物学的本质。”


这张元素周期表是化学学科中最重要的成就之一,很多诺奖成果与之关联:1906年的诺奖得主亨利莫瓦桑因制造出单质氟而闻名;居里夫人因发现镭和钋、并成功分离出镭获1911年诺奖;麦克米伦和西博格因发现超铀元素镎而共同获得1951年诺奖……这些发现新元素的科学家都获得了诺奖,但发现元素周期律的门捷列夫却没有得奖,真是充满了讽刺意味。


勒夏特列:洞察化学平衡之人


勒夏特列(图片来源:wiki)


高中化学会涉及一些化学反应本质的问题,比如反应平衡。对化学反应平衡的理解需要很强的抽象思维能力,其中一个反直觉的事实是:所有化学反应都存在平衡。如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。这就是“勒夏特列原理”。


两次诺奖得主美国著名化学家鲍林(Linus Carl Pauling,1901-1994)曾对青年学生深刻指出:“你们将来可能不再学习化学,你们可能会把在课上学习的一切化学现象都忘记,但是,无论如何,请你们不要忘记勒夏特列原理。”


鲍林(图片来源:wiki)


这位获得了诺奖得主如此高评价的亨利·勒夏特列(Henry Louis Le Chatelier,1850-1936),曾获得32次诺奖提名,却16次陪跑,一次都没拿到诺奖。


(图片来源:诺贝尔奖官网)


除了最早洞察化学平衡这一成就之外,勒夏特列还有一项与诺奖失之交臂的研究。早在1901年,他就获得了从空气中合成氨的方法,并取得专利。凭借对反应平衡的理解,勒夏特列清楚地知道增加压力肯定会提高产率。可当时的实验条件很差,一次高压装置的意外爆炸造成了他的助手死亡,勒夏特列放弃了这项研究。后来的事情很多人知道了,德国化学家弗里茨·哈伯(Fritz Haber)凭借氨的人工合成获得1918年诺贝尔化学奖。


弗里茨·哈伯(图片来源:wiki)


勒夏特列对乙炔气体还颇有研究,用于金属的切割和焊接的氧炔焰发生器就是他的发明;此外,他对水泥的煅烧和凝固、陶器和玻璃器皿的退火、腐蚀剂的制造及燃料、玻璃和炸药的发展等问题都有关注。可以说勒夏特列是那个时代典型的实干派化学家,关心工业实践,着眼于解决实际问题。

 

勒夏特列不仅是一位杰出的化学家,还是一位杰出的爱国者。当第一次世界大战发生时,法兰西处于危急中,他勇敢地担任起武装部长的职务,为保卫祖国而战斗——获不获得诺奖又如何?不是战士的法师不是好化学家。


路易斯:以电子理解酸碱


路易斯(图片来源:wiki)


初中化学阶段对酸碱的理解基于质子:酸之所以为酸,是因为能给出质子;碱则能得到质子。吉尔伯特·路易斯(Gilbert Newton Lewis,1875-1946)反其道而行之,用电子定义酸碱,大大拓宽了化学家对酸碱的理解。


路易斯的共价理论是中外化学教材的重要知识点。1916年,他通过对实验现象的归纳总结,提出分子中的原子之间可以通过共享电子对,使分子中的每个原子都具有稳定的稀有气体电子结构。这样形成的分子称为共价分子;原子之间通过共用电子对,形成的化学键称为共价键。课本里写的“电子式”“结构式”“点线式”都是路易斯结构式的变体。


(图片来源:作者制作)


路易斯不仅改变了人们对酸碱的理解,创造了共价键理论,而且还是光子的命名者和著名的教育家。他的研究涉猎广泛,仅从他的学生身上就能看到他在化学领域丰富的“杂学”。作为美国加州大学伯克利分校教授、前伯克利化学院院长,他的学生中出过多位诺奖得主:


哈罗德·克莱顿·尤里——氘、重水的发现者,1934年诺贝尔化学奖得主;

威廉·弗朗西斯·吉奥克——超低温化学的应用技术发明者,1949年诺贝尔化学奖得主;

格伦·西奥多·西博格——镎、镅、锔和锫等元素的发现者,1951年诺贝尔化学奖得主;

威拉得·利比——碳14测年的发明者,1960年诺贝尔化学奖得主;

梅尔文·卡尔文——光合作用机理的研究和卡尔文循环发现者,1961年诺贝尔化学奖得主。


无论是自己做研究还是指导学生,路易斯都成绩斐然,他一生获得41次诺奖提名,却始终与之无缘。


(图片来源:诺贝尔奖官网)


关于共价理论,还有个小八卦。


1916 年,路易斯在《美国化学会志》(《Journal of American Chemical Society》)上发表了一篇《The Atom and The Molecule》的论文,阐述了自己的共价理论。


(图片来源:美国化学会官网)


他原本打算继续再做更详细的研究,但因故未能很快实现。1919年,朗格缪尔(Irving Langmuir,1881-1957)发展并精炼了路易斯的观点。这位1932年诺贝尔化学奖得主在公司工作,性格外向,擅长社交和演讲,共价键的理论于是称作“路易斯-朗格缪尔”理论。


(图片来源:美国化学会官网)


这件事让路易斯很不爽,两人关系从此变得紧张。1946年,朗格缪尔被加州大学伯克利分校授予名誉博士称号,彼时作为化学系主任的路易斯被迫和他约了顿饭。当天下午,70岁的路易斯在实验室中因心脏麻痹而死亡,旁边放着打碎了的装有氰化氢气体的瓶子——他就这么在带有苦杏仁味道的空气中死去。至于是不是自杀,成为了永久的谜团。


吉布斯:热力学奠基人


吉布斯(图片来源:wiki)


为大家所熟知的熵增原理,是热力学基本原理之一。杨振宁认为,19世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力。其中,热力学的奠基人就是吉布斯(Josiah Willard Gibbs,1839-1903年),他被爱因斯坦称之为“美国历史上最杰出的英才”。


19世纪60年代的美国正是铁路大亨的年代,全国大兴土木修筑铁路。吉布斯也凑热闹,去学了相关专业。1863年,吉布斯凭借《论直齿轮轮齿的式样》的论文被耶鲁大学授予当时美国第一个工程学博士学位。大有“钱”途的他,毕业后先是留校当了三年助教,顺带申请了一项火车制动技术的专利,然后跟两位姐姐去了欧洲旅行。


这一趟旅行彻底改变了吉布斯的学术兴趣。他在法国和德国旁听了很多数理化课程,还在海德堡大学找了份见习工作研究物理。1869年回到耶鲁后,吉布斯彻底转行,在1871年成为数学物理学教授。由于这是美国当时首个双学科并列教授,而且吉布斯还没有在该领域发表过任何学术成果,所以吉布斯身为教授却没有报酬。好在吉布斯家族在美国北方颇有背景,吉布斯此时尚有父母留下的一大笔遗产,日子也算安稳。


两年后,吉布斯在《康涅狄格学会学报》上发表了两篇论文,讨论如何用几何方法表示热力学量。1875年,还是在这份学报上,吉布斯发表了《关于多相物质平衡》的上半部分,1878年,这本书的下半部分也在这份学报发表。虽然发表于学报,但吉布斯的专著足足有300多页,包括带有序号的700多个方程。那时的美国学界不注重理论,这样的学术成果只能墙内开花墙内香。


最早认识到吉布斯天才洞见的人是经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人英国物理学家数学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879),他在自己的书里专门用一章来介绍吉布斯的工作。可惜,麦克斯韦英年早逝,甚至没有看到吉布斯系统性地完成热力学的奠基工作。


麦克斯韦(图片来源:wiki)


直到吉布斯死后,他的工作才引起学者们的关注。1909年诺贝尔化学奖得主物理化学奠基人之一的奥斯特瓦尔德(Friedrich Wilhelm Ostwald,1853-1932)把吉布斯的著作翻译为德文,并且盛赞道:“无论从形式还是内容上,吉布斯赋予了物理化学整整一百年。”


奥斯特瓦尔德(图片来源:wiki)


沉迷于自己工作的吉布斯也许并不在乎自己是否得到诺奖。他一生未娶,乐于独处,据说连学生也很难接近他。根据学生的回忆,吉布斯总是衣着得体,举止优雅,从不会刻意引人注意,展现那种有时被认为是天才们的与生俱来的怪异举动。大概科学本身就是对吉布斯一生最大的嘉奖吧。


大佬们为何无缘诺奖?


大家不禁好奇,上面大佬们的科研成果都被载入史册,究竟是为什么没得到诺奖。细究起来,每个人的原因都很复杂,总结起来,有以下几个可能。


第一,不善于交际,得罪同行或前辈。很多硬核大佬性格内向,不擅长社交,比较骨骾,搞不好就得罪人。据说门捷列夫早年曾对阿伦尼乌斯(Svante August Arrhenius,1859-1927)的溶解理论批评颇多。阿伦尼乌斯虽然不是诺贝尔化学委员会的成员,但他是很早登科的化学诺奖得主,是当时瑞典化学界的扛把子。在他的强烈反对下,门捷列夫两次落选。路易斯和吉布斯也都不太擅长社交,没能以最快速度把自己惊世骇俗的发现传播到整个学界。


阿伦尼乌斯(图片来源:wiki)


第二,生不逢时,怀才不遇。从1922年起到1946年逝世,路易斯一直被提名,但他的学术光芒被当时流行的物理学所掩盖,特别是当时的欧洲学者更喜欢量子力学。有数学支撑的理论,显得更可信也更高大上。相比之下,路易斯的酸碱理论就微不足道了。


第三,研究领域过窄或过宽。勒夏特列最突出的贡献只有一个勒夏特列原理,不仅太窄而且理论过于粗糙;路易斯研究领域从化学热力学到化学键理论再到同位素、光化学,过于宽泛。研究领域太窄,相对而言知名度较低;太宽,则难以在某一领域获得突出性的成就。


第四,过于偏重理论。无论是门捷列夫、勒夏特列还是路易斯,他们的最大贡献都是化学理论。化学诺奖对于理论相对比较保守,更偏向于对实验事实的奖励。吉布斯的热力学就更不用说了,在当时很少有人懂,人们也意识不到他在理论层面指导实验化学的伟大意义,自然也与诺奖无缘。


第五,寿命与国籍。由于诺奖只颁发给在世的科学家,很多科学家由于太早离世所以无缘诺奖,。门捷列夫1907年去世,仅有六次机会参评;留给吉布斯的时间更短,他在1903年4月去世,只有两年机会参评。而且刚开始评诺奖的时候,可以备选的牛人实在太多,根本轮不到偏重理论的吉布斯。另外,吉布斯还是美国人,要知道,诺奖评选的头30年里,只有一个美国人获奖……


其实,没有得诺奖的科学家还有很多很多,虽有遗憾,但这一点也不影响他们的伟大。在诺贝尔奖120周年的日子里,当我们看着诺奖得主名单上一个个闪光名字的时候,千万不要忘记这些没得诺奖但依然伟大的科学家们。


向每一位为消除人类的无知做出贡献的科研工作者们致敬!


参考文献:

[1] 《门捷列夫与诺贝尔化学奖》,化学教育,2017年第5期,94-96.

[2] 《另眼看诺奖——缺失的里程碑》,百科知识,2016年第10期,18-21.

[3]  Prof. H. L. Le Chatelier,https://doi.org/10.1038/130535b0

[4]  Prof. H. L. Le Chatelier, For. Mem. R.S.,https://doi.org/10.1038/138711a0

[5] 《未获诺贝尔奖的应该得奖人G. N. 路易斯》,化工时刊,1987年第7期,43.

[6] 《著名美国化学家G. N. 路易斯》,化学通报,1985年第8期,56-58.

[7] 《全球十大与诺贝尔奖失之交臂的科学家》,今日科苑,2012年第2期,58-60.

[8]  Josiah Willard Gibbs (1839–1903),https://doi.org/10.1038/143233c0

[9]  Josiah Willard Gibbs,DOI:10.1021/ed032p267

[10]  Josiah Willard Gibbs and Wilhelm Ostwald: A Contrast in Scientific Style,DOI:10.1021/ed073p289

[11] 《浅析错失诺贝尔化学奖背后的原因》,广东化工,2016年第21期,225-227.





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