تاريخ نظرية الجزيئات
القرن العشرون

في بداية القرن العشرين، بدأ الكيميائي الأمريكي جيلبرت نيوتن لويس استخدام النقاط أثناء محاضرة ألقاها على طلابه في جامعة هارفارد لتمثيل الإلكترونات حول الذرة. راقت طلابه تلك الرسوم، مما حفّزه لمواصلة جهوده في هذا الاتجاه. من خلال تلك المحاضرات، أشار لويس إلى أن عناصر ذات عدد معين من الإلكترونات يبدو أن لها استقرارًا خاصًا. كانت تلك الظاهرة قد أشار إليها الكيميائي الألماني ريتشارد أبيغ سنة 1904 م، وسمّاها لويس «قانون أبيغ للتكافؤ» (تُعرف اليوم باسم «قاعدة أبيغ»). تبيّن للويس أنه متى اجتمعت ثمانية إلكترونات حول النواة، تكتمل طبقة، ثم تبدأ أخرى من الإلكترونات. كما أشار لويس إلى أن العديد من الأيونات التي لها ثمانية إلكترونات تميل إلى الاستقرار الخاص. وبناءً على ذلك، افترض قاعدة الثمانيات: «إن الأيونات أو الذرات ذات الطبقة الممتلئة بثمانية إلكترونات لها استقرار خاص».
بالإضافة إلى ذلك، تصوّر لويس الذرة في صورة مكعب له ثمانية أركان تقبل تواجد الإلكترونات. ولاحقًا في سنة 1902 م، وضع تصوّره حول الذرات المكعبة التي تترابط عند أجنابها لتُكوّن جزيئات ذات بنية مكعبية. أو بعبارة أخرى، تنشأ روابط تساهمية عندما تتشارك ذرتان حافة مكعب، كما في البنية C بالرسم، فيتشاركان إلكترونين. وبالمثل، تتكون الروابط الأيونية عن طريق انتقال إلكترون من مكعب إلى آخر دون أن يتشاركا حافة A. كما افترض لويس وجود حالة وسيطة B عندما يتشارك المكعبان ركنًا واحدًا. وبالتالي، تتكون الروابط المضاعفة عندما تتشارك ذرتان مكعبتان أحد أوجه المكعب، فيتشاركان أربعة إلكترونات.
في سنة 1913 م، خلال عمله بقسم الكيمياء في جامعة كاليفورنيا ببيريكلي، قرأ لويس الخطوط العريضة لورقة بحثية للطالب الإنجليزي ألفريد لوك بارسون الذي كان في زيارة لبيركيلي لمدة عام. في تلك الورقة، اقترح بارسون أن الإلكترون ليس مجرد شحنة كهربائية، بل هو أيضًا مغناطيس صغير (أو كما سمّاه «مغناطيون»)، وعما ينشأ عن تبادل إلكترونين بين ذرتين رابطة كيميائية. وبالتالي، كان ذلك يعني، بالنسبة للويس، أن الترابط حدث عندما تشارك إلكترونان حافة مكعبين (البنية C).
وبناءً على ذلك، قدّم لويس في مقالته الشهيرة «الذرة والجزيء» التي كتبها سنة 1916 م «بنية لويس» التي مثّل فيها الذرات والجزيئات، حيث استخدم النقاط للإشارة إلى الإلكترونات، والخطوط للإشارة إلى الروابط التساهمية، وهو المصطلح الذي صاغه لويس في تلك المقالة للإشارة إلى الرابطة التي تنتج من تشارك ذرتين لإلكترون وحتى ستة إلكترونات لتكوين الروابط أحادية الإلكترون والفردية والمزدوجة والثلاثية. وعلى حد تعبير لويس: «قد يُشكّل الإلكترون جزء من غلاف ذرتين مختلفتين دون القول بأنه ينتمي لأحدهما دون الأخرى». بالإضافة إلى ذلك، افترض لويس أن الذرة تميل إلى اكتساب أو فقد عدد من الإلكترونات لتُكمل المكعب. لذا، فقد استخدم لويس في بنيواته الرموز الكيميائية للذرات لتوضيح بنية الجزيء. كما استخدم الخطوط للتوصيل بين الذرات المترابطة مع بعضها البعض؛ وأحيانًا، استخدم أزواج من النقاط بدلاً من الخطوط. تم تمثيل الإلكترونات الزائدة التي تشكل أزواجًا وحيدة بزوج من النقاط، توضع بجوار ذراتها (كما بالرسم). ولتلخيص آرائه حول نموذجه الجديد لترابط الذرات، قال لويس: «قد تتوافق ذرتان مع قاعدة الثمانيات، ليس فقط عن طريق نقل الإلكترونات من ذرة واحدة إلى أخرى، ولكن أيضًا من خلال تبادل زوج أو أكثر من الألكترونات... بالتالي يقترن زوج من الإلكترونات معًا، عندما يقعان بين مركزي ذرتين، ويبقيا مترابطان في غلاف الذرتين، وهو ما اعتبرته رابطة كيميائية. وبالتالي لدينا صورة ملموسة من هذا الكيان المادي، هذا هو "الخطاف والعين" التي هي جزء من عقيدة الكيمياء العضوية.»
في السنة التالية 1917 م، أثناء دراسة لينوس باولنغ طالب الهندسة الكيميائية الأمريكي في جامعة ولاية أوريغون لنموذج ترابط الخطاف والعين الذي افترضه دالتون الذي كان يلقى رواجًا وقتئذ، وكانت فكرته أن كل ذرة لديها عدد معين من الخطاطيف التي تسمح لها بالالتصاق بالذرات الأخرى، وعدد آخر من العيون التي تسمح للذرات الأخرى للالتصاق بها، وأن الرابطة الكيميائية تحدث عند التقاء الخطاف والعين. لم يرُق لباولنغ هذه الطريقة القديمة، وتطلّع لاستخدام مجال ميكانيكا الكم الناشئ حديثًا لعمل نموذج جديد. في سنة 1927 م، استخدم الفيزيائيان فريتز لندن وفالتر هايتلر ميكانيكا الكم لدراسة مع قوى التجاذب والتنافر المُشبّعة غير الديناميكية (القوى التبادلية) لجزيء الهيدروجين. كانت دراستهم لرابطة التكافؤ في تلك المسألة، في ورقتهما المشتركة، علامة فارقة حيث أدخلت الكيمياء عالم ميكانيكا الكم. كان لعملهما هذا تأثيره على باولنغ، الذي كان قد حصل لتوه على شهادة الدكتوراه، وزار هايتلر ولندن في زيوريخ بعد أن حصل على زمالة غوغنهايم سنة 1926 م.
لاحقًا، سنة 1931 م، اعتمادًا على عمل هايتلر ولندن ونظريات لويس التي أوردها في مقالته الشهيرة، نشر باولنغ مقاله الرائد «طبيعة الرابطة الكيميائية». (طالع: مخطوطته اليدوية) التي استخدم فيها ميكانيكا الكم لحساب خواص وبنيوات الجزيئات، كالزوايا بين الراوبط والدوران حولها. ووفق تلك المعطيات، وضع باولنغ نظرية التهجين لتفسير الروابط في جزيئات مثل CH4، الذي فيه أربعة مدارات مهجّنة sp³ تتداخل مع مدار ذرة هيدروجين 1s، فتنتج أربع روابط سيغما. الأربعة روابط لها نفس الطول والقوة، ونتج عنها بنية الجزيء. (انظر الرسم) نتيجة لتلك النظريات الاستثنائية، حصل باولنغ على جائزة نوبل في الكيمياء سنة 1954 م. والجدير بالذكر أنه الشخص الوحيد الذي حاز جائزتي نوبل منفردًا، وذلك بعد حصوله على جائزة نوبل للسلام سنة 1963 م.
في سنة 1926 م، حصل الفيزيائي الفرنسي جان بيرين على جائزة نوبل في الفيزياء لإثباته بشكل قاطع وجود الجزيئات. قام بذلك من خلال حساب ثابت أفوجادرو بثلاث طرق مختلفة، كلها تتضمن طور سائل. أولها باستخدام مستحلب الغامبوغ الذي يشبه الصابون، والثانية بعمل تجارب معملية على الحركة البراونية، والثالثة بإثبات نظرية أينشتاين حول دوران الجسيمات في طورها السائل. وفي سنة 1937 م، استخدم الكيميائي كارل لوثر وولف مفهوم الجزيئات الضخمة لوصف الترابط الهيدروجيني في حمض الخليك ثنائي الوحدات. مما فتح المجال أمام استكشاف كيمياء الجزيئات الضخمة. وفي سنة 1951 م، اخترع الفيزيائي إرفين فيلهام مولر المجهر الأيوني، فكان أول من يرى الذرات (على هيئة تجمعات ذرية مترابطة على طرف نقطة من معدن).
في سنة 1999 م، سجل باحثون في جامعة فيينا نتائج تجاربهم على ازدواجية موجة-جسيم لجزيئات C60. كانت النتائج التي نشرها تسيلنغر وآخرون متوافقة مع نتائج لويس دي بروي حول التداخل الموجي لجزيئات C60. وتعد هذه التجربة توسيعًا لقابلية تطبيق ازدواجية موجة-جسيم على المستوى المجهري. وفي سنة 2009 م، تمكّن باحثون من آي بي إم من التقاط أول صورة لجزيء حقيقي حين استخدموا مجهر ذري القوة لتصوير كل ذرة ورابطة في جزيء البنتاسين.