从原子到分子

2026年4月25日 星期六

1808年化学建立（元素原子论）

道尔顿在《化学哲学新体系》（1808年出版）中发表了他的学说（原子学说），建立了元素和原子的关系，认为特定的元素是有相同的原子组成的，不同的元素的差别是他们的原子具有不同的质量，以氢原子的质量为基准，测量了一些原子的相对质量。

至此，人们确定化学是研究原子之间关系的科学。原子的定义（及后来的分子论）使得化学进入定量阶段，学科正式建立。道尔顿因此被誉为“近代化学之父”。

1914年化学成年 （元素的本质）

1914年莫塞莱发现了元素的本质是原子核中质子（和核外电子）的数量，从而确定了原子的分类标准，这一年，化学成年。参见原子序数----化学成年。

1925年化学壮年 （化合的电子云组合原理）

19 世纪初，道尔顿等科学家开始意识到原子之间存在某种作用力使其结合成分子。当时，人们通过对化合物的化学组成和性质的研究，初步提出了原子之间有 “亲和力” 的概念，但对其本质认识模糊。

1913年莫塞莱给出了元素的准确定义，化学成年。1913年Moseley定律发现以后，相应的也就把一个中性原子的电子数目确定了。同年，Bohr提出原子的电子层结构，这就导致了原子价电子理论的建立。

1916 年，德国化学家柯塞尔（Kossel）和美国化学家路易斯（Lewis）分别提出了离子键和共价键的概念。柯塞尔通过对碱金属和卤素等元素的研究，发现原子通过得失电子形成离子，离子间通过静电作用形成化学键，即离子键。路易斯则提出了共价键的电子对理论，认为原子间可以通过共用电子对形成稳定的分子，这种原子间通过共用电子对形成的化学键就是共价键。这两个理论的提出，标志着化学键概念的初步形成，使人们对原子结合成分子的本质有了更深入的认识。

1925年，量子理学建立之后，德国理论物理学家弗里德里希·洪特(Friedrich Hermann Hund，1896-1997)，对原子结构和分子结构做出了先驱的工作。1925年，洪特根据大量的光谱实验指出：电子在能量相同的轨道（即等价轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的轨道且自旋方向同向，因为这样的排布方式总能量最低，称为洪特规则（Hund’s rule)。同理，原子形成分子时，核外电子云（或电子轨道）发生相互作用，使得体系的能量最低。人们找到了原子之间结合成分子的原因，为分子结构的原理和化学反应的本质奠定了基础，所以在量子力学和核外电子轨道学说建立的1925年，化学进入壮年。后来对化学键的认知都建立在这个基础上

1926年9月，洪特去丹麦哥本哈根大学玻尔的理论物理研究所进行研究，撰写了两篇解释分子光谱的论文(发表在1927年德国《物理学杂志》)，提出了分子中电子状态的量子力学模型（该模型在1932年被马利肯Mulliken称为“分子轨道”）。1927年3月洪特回到哥廷根大学，随后在1927年夏季学期开设了《分子结构》研讨课。此时，时任美国纽约大学副教授的马利肯正在哥廷根大学访问，听了洪特的部分讲座，后来两人合作推广了原子轨道的概念，建立了分子轨道理论，但是他们并没有共同发表过论文或著作，他们的合作主要是相互的激励和思想的碰撞。

1927年，海特勒和伦敦首次用量子力学方法处理化学键问题。他们计算了氢分子的能量,发现当两个氢原子靠近时,如果两个电子的自旋反平行，系统能量会降低,形成稳定的化学键;如果自旋平行，能量升高,无法成键。这个计算揭示了共价键的量子本质：化学键源于电子波函数的叠加和交换相互作用。海特勒-伦敦方法成功地从第一性原理导出了化学键的存在和强度。

1929年，Debye（1883～1966，荷兰）提出极性分子理论，确定了分子偶极矩，为化学键理论的发展作出了重要贡献，获1936年Nobel化学奖。

鲍林在1931年提出了价键理论的系统化版本。他引入杂化轨道的概念来解释分子的几何构型。

1932年马利肯Mulliken提议用“轨道”这个词作为原子或分子中单电子波函数的简称，并解释说该波函数与电子在两个或多个原子核和其他电子所产生的电场中的运动相对应。马利肯首先使用分子轨道理论解释了一些较小的多原子分子的结构，认为电子在整个分子范围内运动，分子轨道由原子轨道线性组合而成，电子按能量顺序填充这些分子轨道。马利肯在1966年获得诺贝尔化学奖，表彰他在化学键和通过分子轨道方法研究分子电子结构方面的基础工作。（他对洪特满怀感激，说道：“我最希望分享诺贝尔奖的人就是洪特”。）

莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）是首先使量子力学与近代化学理论结合起来，并使之应用于这个领域的重要代表人物，是建立和发展现代结构化学理论的一位杰出的先行者，1938年6月，Pauling在他写的《化学键的本质》一书中对Lewis的论文做了评述：“Lewis在1916年发表的论文奠定了现代价健电子理论的基础；这篇论文不仅论述了通过满填电子稳定壳层的实现来形成离子的过程，也提出了通过两个原子间两个电子的共享形成现在所谓的共价键的概念。”Pauling获得1954年Nobel化学奖。

1951年，日本福井谦一（1918—1998）提出前线轨道理论。1965年，美国化学家Woodward（1917—1979）和Hoffmann在合成维生素B12时，总结出了分子轨道对称守恒原理。福井谦一和Hoffmann因对分子轨道理论的发展做出了贡献，俩人共同获得1981年Nobel化学奖。

1960年代，霍恩伯格和科恩提出了密度泛函理论的基本定理:分子的基态能量可以表示为电子密度的泛函。这意味着不需要求解复杂的多电子波函数，只需要知道电子密度分布就能确定体系的所有性质。1998年，科恩因密度泛函理论的贡献获得诺贝尔化学奖。

现今分子轨道理论已成为对化学键和分子特性的定性理解以及分子电子结构量子力学计算的基础。随着量子化学的发展，化学正在从宏观向微观深入，从定性向定量进一步发展，从只是被动地解释一些实验现象，发展成预测化学现象和研究分子设计，科学家可以根据这些原理预测、寻找和制作新的化合物。

化合物的数量：已知 1.35亿

美国化学会（American Chemical Society）是一个化学领域的专业组织，成立于1876年。1965年，设立了化学物质数据库(CAS REGISTRYSM)，收录发现的化学物质。

2007年9月，超过5000万个，2014年一年的收录化合物相比起1965年至1990年这25年的化合物收录总数还要多。

2015年，收录的化学物质突破1亿个。

2026年4月，收录的化学物质突破1.35亿个。

现在平均 2分30秒就有1个化合物被注册登录。如果按照现在每年化合物数目增加的趋势增长的话，60年以后就会有6亿个新化合物被注册登录。

化合物的数量：虚拟化合物千亿个

化学家不再局限于实验室合成和测量，而可以在计算机上设计分子、预测性质、探索反应路径。

近年来，随着按需合成化合物库（make-on-demand library）的出现，虚拟化合物库的规模呈现井喷式的增长，现已达到几十亿分子的规模。 因为这样规模的化合物库无法被完全合成或是进行生物活性筛选，所以虚拟筛选技术成为了探索这一全新化学空间的唯一方法。 整个虚拟化合物库会被筛选并通过打分函数评价优劣，接着仅合成和生物测试排名靠前的化合物。

截止2025年9月，虚拟化合物达830亿个，到现在2026年4月估计有千亿的规模。

化合物的数量：可能有无数种

除了上述已经测定的和计算机预测的虚拟的化合物外，科学家预测化合物可能有无数种。