גילברט נ. לואיס
גילברט ניוטון לואיס (Gilbert Newton Lewis) (23 באוקטובר או 25 באוקטובר 1875 – 23 במרץ 1946) היה כימאי פיזיקלי אמריקאי ודיקן הקולג' לכימיה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. לואיס נודע בעיקר בזכות גילוי הקשר הקוולנטי והמושג שלו של זוגות אלקטרונים; מבני לואיס שלו ותרומות אחרות לתורת הקשר הערכי עיצבו את התיאוריות המודרניות על קשרים כימיים. לואיס תרם בהצלחה לתרמודינמיקה כימית, פוטוכימיה והפרדת איזוטופים, והוא ידוע גם בזכות המושג שלו על חומצות ובסיסים. לואיס חקר גם את תורת היחסות והפיזיקה הקוונטית, ובשנת 1926 טבע את המונח "פוטון" עבור היחידה הקטנה ביותר של אנרגיה קורנת.
ג. נ. לואיס נולד ב-1875 בוויימות', מסצ'וסטס. לאחר שקיבל את הדוקטורט בכימיה מאוניברסיטת הרווארד (Harvard University) ולימודים בחו"ל בגרמניה ובפיליפינים, עבר לואיס לקליפורניה בשנת 1912 כדי ללמד כימיה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שם הפך לדיקן הקולג' לכימיה ובילה את שארית חייו. כפרופסור, הוא שילב עקרונות תרמודינמיים בתכנית הלימודים בכימיה וערך רפורמה בתרמודינמיקה הכימית בצורה מתמטית קפדנית הנגישה לכימאים מן השורה. הוא החל למדוד את ערכי האנרגיה החופשית הקשורים למספר תהליכים כימיים, הן אורגניים והן אנאורגניים. בשנת 1916 הוא הציע גם את תיאוריית הקשר שלו והוסיף מידע על אלקטרונים בטבלה המחזורית של היסודות הכימיים. בשנת 1933 החל במחקרו על הפרדת איזוטופים. לואיס עבד עם מימן והצליח לזקק דגימה של מים כבדים. לאחר מכן הגה את תיאוריית החומצות והבסיסים שלו, ועסק בפוטוכימיה במהלך השנים האחרונות לחייו.
למרות שהיה מועמד 41 פעמים, ג. נ. לואיס מעולם לא זכה בפרס נובל לכימיה, דבר שהוביל למחלוקת גדולה סביב פרס נובל. מצד שני, לואיס הדריך והשפיע על חתני פרס נובל רבים בברקלי, בהם הרולד יורי (Harold Urey) (פרס נובל 1934), ויליאם ג'יוק (William F. Giauque) (פרס נובל 1949), גלן סיבורג (Glenn T. Seaborg) (פרס נובל 1951), וילארד ליבי (Willard Libby) (פרס נובל 1960), מלווין קלווין (Melvin Calvin) (פרס נובל 1961) ועוד, ובכך הפך את ברקלי לאחד המרכזים היוקרתיים בעולם לכימיה. ב-23 במרץ 1946 נמצא לואיס ללא רוח חיים במעבדתו בברקלי, שם עבד עם מימן ציאני; רבים שיערו כי סיבת מותו הייתה התאבדות. לאחר מותו של לואיס, ילדיו הלכו בעקבות הקריירה של אביהם בכימיה, ואולם לואיס (Lewis Hall) בקמפוס ברקלי נקרא על שמו.
ביוגרפיה
### חיים מוקדמים
לואיס נולד ב-1875 וגדל בוויימות', מסצ'וסטס, שם קיים רחוב הקרוי על שמו, דרך ג.נ. לואיס (G.N. Lewis Way), סמוך לרחוב סאמר. בנוסף, האגף של מחלקת הכימיה החדשה בתיכון וויימות' נקרא על שמו. לואיס קיבל את השכלתו היסודית בבית מהוריו, פרנק וסלי לואיס, עורך דין בעל אופי עצמאי, ומרי בר וייט לואיס. הוא קרא כבר בגיל שלוש והיה ילד מחונן מבחינה אינטלקטואלית. בשנת 1884 עברה משפחתו ללינקולן, נברסקה, ובשנת 1889 קיבל את השכלתו הפורמלית הראשונה בבית הספר להכנה לאוניברסיטה.
בשנת 1893, לאחר שנתיים באוניברסיטת נברסקה, עבר לואיס לאוניברסיטת הרווארד, שם קיבל תואר ראשון ב-1896. לאחר שנה של הוראה באקדמיית פיליפס (Phillips Academy) באנדובר, חזר לואיס להרווארד ללמוד עם הכימאי הפיזיקלי ת. ו. ריצ'רדס (T. W. Richards) וקיבל את הדוקטורט שלו ב-1899 עם תזה על פוטנציאלים אלקטרוכימיים. לאחר שנה של הוראה בהרווארד, לקח לואיס מלגת נסיעות לגרמניה, מרכז הכימיה הפיזיקלית, ולמד עם ולטר נרנסט (Walther Nernst) בגטינגן ועם וילהלם אוסטוולד (Wilhelm Ostwald) בלייפציג. במהלך עבודתו במעבדה של נרנסט, פיתח לואיס ככל הנראה איבה לכל החיים כלפי נרנסט. בשנים שלאחר מכן החל לואיס לבקר ולגנות את מורהו לשעבר בהזדמנויות רבות, וכינה את עבודתו של נרנסט על משפט החום שלו "פרק מצער בהיסטוריה של הכימיה". ידיד שוודי של נרנסט, וילהלם פאלמאר (Wilhelm Palmær), היה חבר בוועדת פרס נובל לכימיה. קיימות ראיות לכך שהוא השתמש בהליכי המועמדות והדיווח של נובל כדי לחסום את זכייתו של לואיס בפרס נובל בתרמודינמיקה על ידי הגשת מועמדותו של לואיס לפרס שלוש פעמים, ולאחר מכן שימוש במעמדו כחבר ועדה כדי לכתוב דוחות שליליים.
### הרווארד, מנילה ו-MIT
לאחר שהותו במעבדה של נרנסט, חזר לואיס להרווארד ב-1901 כמדריך לשלוש שנים נוספות. הוא מונה למדריך בתרמודינמיקה ואלקטרוכימיה. בשנת 1904 קיבל לואיס חופשה והפך למפקח על משקולות ומדדים עבור הלשכה למדע במנילה, פיליפינים. בשנה שלאחר מכן חזר לקיימברידג', מסצ'וסטס, כאשר המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) מינה אותו למשרת סגל, שם הייתה לו הזדמנות להצטרף לקבוצה של כימאים פיזיקליים מצטיינים תחת הנהגתו של ארתור עמוס נויס (Arthur Amos Noyes). הוא הפך לפרופסור עוזר ב-1907, לפרופסור חבר ב-1908 ולפרופסור מן המניין ב-1911.
### אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי
ג. נ. לואיס עזב את MIT ב-1912 כדי להפוך לפרופסור לכימיה פיזיקלית ולדיקן הקולג' לכימיה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. ב-21 ביוני 1912 הוא נישא למרי הינקלי שלדון, בתו של פרופסור לשפות רומאניות מהרווארד. נולדו להם שני בנים, ששניהם הפכו לפרופסורים לכימיה, ובת. בשנת 1913 הצטרף לאלפא כי סיגמא (Alpha Chi Sigma) בברקלי, האחווה המקצועית לכימיה.
תלמידי המחקר של לואיס בברקלי זכו להצלחה יוצאת דופן בוועדת נובל. 14 פרסי נובל הוענקו בסופו של דבר לאנשים שלקח כסטודנטים. הידועים שבהם כוללים את הרולד יורי (פרס נובל 1934), ויליאם ג'יוק (פרס נובל 1949), גלן סיבורג (פרס נובל 1951), וילארד ליבי (פרס נובל 1960), מלווין קלווין (פרס נובל 1961). בזכות מאמציו, הקולג' לכימיה בברקלי הפך לאחד ממרכזי הכימיה המובילים בעולם.
בזמן שהותו בברקלי הוא גם סירב לקבל נשים, כולל מניעת לימודי תואר שני ממרגרט מלהאסה (Margaret Melhase). מלהאסה גילתה בעבר במשותף את צזיום-137 עם סיבורג כסטודנטית לתואר ראשון. בשנת 1913 נבחר לאקדמיה הלאומית למדעים. בשנת 1918 נבחר לחברה הפילוסופית האמריקאית. הוא התפטר ב-1934, תוך שהוא מסרב לציין את סיבת התפטרותו; שוער כי הדבר נבע מסכסוך על הפוליטיקה הפנימית של אותו מוסד או על כישלונם של אלו שהציע להם מועמדות להיבחר. החלטתו להתפטר עשויה הייתה להיגרם גם מכעסו על הענקת פרס נובל לכימיה לשנת 1934 לסטודנט שלו, הרולד יורי, על בידוד הדאוטריום ב-1931 ואישור הספקטרום שלו. זהו פרס שלואיס כמעט בוודאות הרגיש שהיה צריך לחלוק בו בשל מאמציו לזקק ולאפיין מים כבדים.
מוות
ב-23 במרץ 1946 מצא סטודנט לתואר שני את גופתו חסרת החיים של לואיס מתחת לשולחן עבודה במעבדה בברקלי. לואיס עבד על ניסוי עם מימן ציאני נוזלי, ואדים קטלניים מקו שבור דלפו לתוך המעבדה. חוקר מקרי המוות קבע כי סיבת המוות היא מחלת עורקים כליליים, בשל היעדר סימנים של ציאנוזה, אך יש הסבורים כי ייתכן שהייתה זו התאבדות. פרופסור אמריטוס בברקלי, ויליאם ג'ולי (William Jolly), שדיווח על הדעות השונות לגבי מותו של לואיס בספרו מ-1987 על ההיסטוריה של הקולג' לכימיה באוניברסיטת ברקלי, "ממבחנות ועד לייזרים", כתב כי בכיר במחלקה האמין שלואיס התאבד.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →אם מותו של לואיס היה אכן התאבדות, הסבר אפשרי הוא דיכאון שנגרם מארוחת צהריים עם אירווינג לנגמיור (Irving Langmuir). ללנגמיור וללואיס הייתה יריבות ארוכה, שראשיתה בהרחבות של לנגמיור לתיאוריה של לואיס על הקשר הכימי. לנגמיור זכה בפרס נובל לכימיה לשנת 1932 על עבודתו בכימיה של פני שטח, בעוד שלואיס לא קיבל את הפרס למרות שהיה מועמד 41 פעמים. ביום מותו של לואיס, לנגמיור וללואיס נפגשו לארוחת צהריים בברקלי, פגישה שמייקל קאשה (Michael Kasha) נזכר בה רק שנים לאחר מכן. עמיתים דיווחו שלואיס חזר מארוחת הצהריים במצב רוח קודר, שיחק משחק ברידג' עגום עם כמה עמיתים, ואז חזר לעבוד במעבדתו. שעה לאחר מכן נמצא מת. המסמכים של לנגמיור בספריית הקונגרס מאשרים שהוא היה בקמפוס ברקלי באותו יום כדי לקבל תואר דוקטור לשם כבוד.
אולם לואיס בברקלי, שנבנה ב-1948, נקרא על שמו.
הישגים מדעיים
### תרמודינמיקה
רוב תחומי העניין המתמשכים של לואיס מקורם בשנותיו בהרווארד. החשוב שבהם היה תרמודינמיקה, נושא שבו המנחה שלו לדוקטורט ריצ'רדס היה פעיל מאוד באותה תקופה. למרות שרוב הקשרים התרמודינמיים החשובים היו ידועים עד 1895, הם נתפסו כמשוואות מבודדות, וטרם אוחדו למערכת לוגית שניתן לגזור ממנה את היתר בהינתן קשר אחד. יתרה מכך, קשרים אלו היו לא מדויקים והיו תקפים רק למערכות כימיות אידיאליות. אלו היו שתי בעיות בולטות בתרמודינמיקה תיאורטית. בשני מאמרים תיאורטיים ארוכים ושאפתניים ב-1900 וב-1901, ניסה לואיס לספק פתרון. לואיס הציג את המושג התרמודינמי של אקטיביות וטבע את המונח "פוגסיות" (fugacity). הרעיון החדש שלו של פוגסיות, או "נטייה לברוח", היה פונקציה בעלת ממדים של לחץ שביטאה את הנטייה של חומר לעבור מפאזה כימית אחת לאחרת. לואיס האמין שפוגסיות היא העיקרון הבסיסי שממנו ניתן לגזור מערכת של קשרים תרמודינמיים אמיתיים. תקווה זו לא התממשה, אם כי פוגסיות אכן מצאה מקום של קבע בתיאור של גזים אמיתיים.
המאמרים המוקדמים של לואיס חושפים גם מודעות מתקדמת בצורה יוצאת דופן לרעיונות של ג'. ו. גיבס (J. W. Gibbs) ופ. דיוהם (P. Duhem) על אנרגיה חופשית ופוטנציאל תרמודינמי. רעיונות אלו היו ידועים היטב לפיזיקאים ומתמטיקאים, אך לא לרוב הכימאים המעשיים, שהתייחסו אליהם כאל מופשטים ולא ישימים למערכות כימיות. רוב הכימאים הסתמכו על התרמודינמיקה המוכרת של חום (אנתלפיה) של ברטלו (Berthelot), אוסטוולד ו-ואן 'ט הוף (Van ’t Hoff) ואסכולת הקלורימטריה. חום תגובה אינו, כמובן, מדד לנטייה של שינויים כימיים להתרחש, ולואיס הבין שרק אנרגיה חופשית ואנטרופיה יכולות לספק תרמודינמיקה כימית מדויקת. הוא גזר את האנרגיה החופשית מפוגסיות; הוא ניסה, ללא הצלחה, לקבל ביטוי מדויק לפונקציית האנטרופיה, שב-1901 טרם הוגדרה בטמפרטורות נמוכות. גם ריצ'רדס ניסה ונכשל, ורק כשנרנסט הצליח ב-1907 התאפשר לחשב אנטרופיות באופן חד-משמעי. למרות שהמערכת מבוססת הפוגסיות של לואיס לא החזיקה מעמד, העניין המוקדם שלו באנרגיה חופשית ובאנטרופיה התברר כפורה ביותר, ורוב הקריירה שלו הוקדשה להנגשת מושגים שימושיים אלו לכימאים מעשיים.
בהרווארד כתב לואיס גם מאמר תיאורטי על התרמודינמיקה של קרינת גוף שחור שבו שיער שלאור יש לחץ. מאוחר יותר גילה שקולגות מבוגרים ושמרנים יותר הניאו אותו מלהמשיך ברעיון זה, שכן לא היו מודעים לכך שוילהלם וין (Wilhelm Wien) ואחרים עקבו בהצלחה אחר אותו קו מחשבה. מאמרו של לואיס נותר ללא פרסום; אך העניין שלו בקרינה ובתורה קוונטית, ומאוחר יותר בתורת היחסות, נבע מניסיון מוקדם וקטוע זה. מתחילת הקריירה שלו, לואיס החשיב את עצמו גם ככימאי וגם כפיזיקאי.
### תורת הערכיות
בסביבות 1902 החל לואיס להשתמש ברישומים לא מפורסמים של אטומים מעוקביים בהערות ההרצאה שלו, שבהן פינות הקוביה ייצגו עמדות אלקטרונים אפשריות. לואיס ציטט מאוחר יותר הערות אלו במאמרו הקלאסי משנת 1916 על קשרים כימיים, כביטוי הראשון לרעיונותיו.
עניין מרכזי שלישי שמקורו בשנותיו של לואיס בהרווארד היה תורת הערכיות שלו. ב-1902, בעת שניסה להסביר את חוקי הערכיות לסטודנטים שלו, הגה לואיס את הרעיון שאטומים בנויים מסדרה קונצנטרית של קוביות עם אלקטרונים בכל פינה. "אטום קובי" זה הסביר את המחזור של שמונה יסודות בטבלה המחזורית והיה תואם לאמונה המקובלת שקשרים כימיים נוצרים על ידי העברת אלקטרונים כדי להעניק לכל אטום סט מלא של שמונה. תיאוריה אלקטרוכימית זו של ערכיות מצאה את ביטויה המפורט ביותר בעבודתו של ריצ'רד אבג (Richard Abegg) ב-1904, אך הגרסה של לואיס לתיאוריה זו הייתה היחידה שגולמה במודל אטומי קונקרטי. שוב, התיאוריה של לואיס לא עניינה את מוריו בהרווארד, אשר בדומה לרוב הכימאים האמריקאים של אותה תקופה, לא נטו לספקולציות כאלה. לואיס לא פרסם את תיאוריית האטום הקובי שלו, אך ב-1916 היא הפכה לחלק חשוב בתיאוריה שלו על קשר זוג אלקטרונים משותף.
ב-1916 פרסם את מאמרו הקלאסי על קשר כימי "האטום והמולקולה" (The Atom and the Molecule) שבו ניסח את הרעיון של מה שיהיה ידוע כקשר קוולנטי, המורכב מזוג אלקטרונים משותף, והוא הגדיר את המונח מולקולה אי-זוגית (המונח המודרני הוא רדיקל חופשי) כאשר אלקטרון אינו משותף. הוא כלל את מה שנודע כמבני לואיס וכן את מודל האטום הקובי. רעיונות אלו על קשרים כימיים הורחבו על ידי אירווינג לנגמיור והפכו להשראה למחקרים על אופי הקשר הכימי על ידי לינוס פאולינג (Linus Pauling).
### חומצות ובסיסים
בשנת 1923 ניסח את תיאוריית זוג האלקטרונים של תגובות חומצה-בסיס. בתיאוריה זו של חומצות ובסיסים, "חומצת לואיס" היא מקבל זוג אלקטרונים ו"בסיס לואיס" הוא תורם זוג אלקטרונים. באותה שנה פרסם גם מונוגרפיה על התיאוריות שלו על הקשר הכימי.
בהתבסס על עבודתו של ג'. וילארד גיבס (J. Willard Gibbs), היה ידוע שתגובות כימיות מתקדמות לעבר שיווי משקל הנקבע על ידי האנרגיה החופשית של החומרים המשתתפים. לואיס הקדיש 25 שנים לקביעת אנרגיות חופשיות של חומרים שונים. בשנת 1923 פרסמו הוא ומרל רנדל (Merle Randall) את תוצאות מחקר זה, שסייעו למסד את התרמודינמיקה הכימית המודרנית.
### מים כבדים
לואיס היה הראשון לייצר דגימה טהורה של דאוטריום אוקסיד (מים כבדים) בשנת 1933 והראשון לחקור את ההישרדות והצמיחה של צורות חיים במים כבדים. על ידי האצת דאוטרונים (גרעיני דאוטריום) בציקלוטרון של ארנסט לורנס (Ernest O. Lawrence), הוא הצליח לחקור רבות מתכונות גרעיני האטום. במהלך שנות ה-30 הוא היה מנחה של גלן סיבורג, שהועסק לעבודת פוסט-דוקטורט כעוזר מחקר אישי של לואיס. סיבורג המשיך לזכות בפרס נובל לכימיה לשנת 1951 והיסוד סיבורגיום נקרא על שמו עוד בחייו.
### O4 טטרא-חמצן
בשנת 1924, על ידי חקר התכונות המגנטיות של תמיסות חמצן בחנקן נוזלי, גילה לואיס שנוצרות מולקולות O4. זו הייתה הראיה הראשונה לחמצן טטרא-אטומי.
### תורת היחסות ופיזיקה קוונטית
בשנת 1908 פרסם את הראשון מבין מספר מאמרים על תורת היחסות, שבו גזר את הקשר מסה-אנרגיה בדרך שונה מהגזירה של אלברט איינשטיין. בשנת 1909 שילבו הוא וריצ'רד טולמן (Richard C. Tolman) את שיטותיו עם תורת היחסות הפרטית. בשנת 1912 הציגו לואיס ואדווין בידוול וילסון (Edwin Bidwell Wilson) עבודה מרכזית בפיזיקה מתמטית שלא רק יישמה גאומטריה סינתטית לחקר המרחב-זמן, אלא גם ציינה את הזהות של מיפוי דחיסת מרחב-זמן וטרנספורמציית לורנץ.
בשנת 1926 טבע את המונח "פוטון" ליחידה הקטנה ביותר של אנרגיה קורנת (אור). למעשה, התוצאה של מכתבו לכתב העת Nature לא הייתה מה שהתכוון. במכתב הציע פוטון כאלמנט מבני, לא אנרגיה. הוא התעקש על הצורך במשתנה חדש, מספר הפוטונים. למרות שהתיאוריה שלו הייתה שונה מהתורה הקוונטית של האור שהציג אלברט איינשטיין ב-1905, שמו אומץ למה שאיינשטיין כינה קוונט אור (Lichtquant בגרמנית).
### הישגים אחרים
בשנת 1921 היה לואיס הראשון להציע משוואה אמפירית המתארת את כישלון האלקטרוליטים החזקים לציית לחוק פעולת המסות, בעיה שהטרידה כימאים פיזיקליים במשך עשרים שנה. המשוואות האמפיריות שלו למה שכינה חוזק יוני אושרו מאוחר יותר כתואמות למשוואת דביי-האקל (Debye–Hückel) עבור אלקטרוליטים חזקים, שפורסמה ב-1923.
במהלך הקריירה שלו פרסם לואיס מאמרים בנושאים רבים אחרים מלבד אלו שהוזכרו בערך זה, החל מאופי קוונטי האור ועד לכלכלת ייצוב מחירים. בשנים האחרונות לחייו, לואיס והסטודנט לתואר שני מייקל קאשה, עוזר המחקר האחרון שלו, קבעו כי זרחנות של מולקולות אורגניות כוללת פליטת אור מאלקטרון אחד במצב טריפלט מעורר (מצב שבו שני אלקטרונים נושאים וקטורי ספין מכוונים באותו כיוון, אך באורביטלים שונים) ומדדו את הפרמגנטיות של מצב טריפלט זה.