Глазами Монжа-Бертолле

Электрон-шарик навсегда изгнан из владений микромира электроном-волной. И лишь для пущей наглядности остались традиционные символы электронов: шарики, кружочки, точечки, которые со времен Резерфорда пошли гулять по страницам учебников и научно-популярных издании. Особой беды в этом нет: так проще понимать и объяснять. Беда в другом: учебники подчас и не желают идти дальше нечленораздельных намеков на сложную и противоречивую правду микромира. С идеями квантовой химии не знакомят не только в школе, но и во многих вузах. Так не прививается вкус к исследованиям на переднем крае одной из самых революционных наук нашего времени. Так воспитываются все новые и новые приверженцы «лукрецианской» химии и биологии. Но так продолжаться далее не может. Ибо химия не хочет жить вчерашним днем. Не может. Не имеет права. Нашествие странного мира непривычных закономерностей неотвратимо. Пусть же скорее грядет она, эпоха странного мира в химии!

Разобравшись в тонкостях валентного штриха, мы можем приступить к препарированию сопряженных связей.

Итак, физическая картина валентной черточки — «арахисовый орех»? В случае молекулы водорода — да. В случае ординарной C—C связи — да. А в случае двойной — нет. Вернее, наполовину нет.

Потому что одна из связей все же именно такая, как в молекуле H—H. Ее обозначают греческой буквой «сигма». Зато вторая — так называемая пи-связь — выглядит совершенно иначе. Как?

Изобразите на листке бумаги арахисовый орех. У вас получится плоский рисунок, похожий на восьмерку. Это сигма-электронное облако. Поставьте жирную точку в центре каждой из округлостей «восьмерки». Это ядра атомов углерода. Соединим их прямой. Перед нами чертеж сигма-связи. А теперь вообразите, что наша прямая линия — палка, на обоих концах которой прикреплено по двухлопастному пропеллеру. Нарисуем и их. Получили две восьмерки. Каждая восьмерка с виду плоская. Но так же, как и рисунок арахисового ореха, она изображает пространственную фигуру. Что-то вроде толстой балясины с тонкой перемычкой посередине. «Балясина» — это пи-электронное облако. «Перемычка» — место, где находится атом углерода. А где же пи-связь? Округлости обеих балясин так толсты, что входят друг в друга (вспомните, что перед нами не крепкие деревяшки, а эфемерные воображаемые облачка!). Подобное двойное зацепление и есть грубый набросок пи-связи. Теперь мы можем соединить точки, изображающие атомы C, еще и второй линией.

Картина двойной углерод-углеродной связи готова.

Когда ученые разобрались в премудростях ординарной и двойной ковалентной связи, настал черед и бензола. Хватит, решили ученые, поморочил голову, пора и честь знать. Бензол просветили рентгеновыми лучами. Расшифровали структуру «скелета». И что же? Оказалось, что молекула бензола — правильный плоский шестиугольник.

Трехмерная призматическая архитектура сразу же отпала. Все шесть связей в бензоле одинаковой длины. Отпали структуры с перекрестными штрихами и формула Дьюара. Каждая углерод-углеродная связь короче обычной ординарной, но длиннее двойной. И все они равноценны. Так что и конструкция Кекуле отпадает! Что же остается? Формула Тиле. Но ведь половинные валентности с точки зрения бутлеровской теории — абсурд! По какой же формуле прикажете рассчитывать бензол? Было над чем поломать голову.

В тридцатых годах нашего столетия появился метод валентных схем. Он восходил к классической работе Гейтлера и Лондона. Валентные схемы очень похожи на структурные формулы, которые появились в обиходе химиков около ста лет назад. В них символом «буква — черточка — буква» означены спаренные электроны. Вроде бы просто, лаконично и наглядно. Однако очень скоро эта кажущаяся простота ввергла математиков в омут головоломок.

Молекулы с сопряженными связями первые подняли черное знамя анархии. Самые интересные, пожалуй, с точки зрения химиков и биологов, они, видите ли, не желали подчиняться квантово-механическому кодексу. И уж, конечно, в первых рядах мятежников очутился наш бензол.

Непокорный эффект сопряжения снова заставил физиков призадуматься.

А может, догадка Кекуле не так уж и наивна? Вдруг бензол действительно не имеет единой структуры?

Еще в 1923 году английским химиком Ингольдом была выдвинута теория мезомерии. Допускалось, что формулы Кекуле отвечают предельным, или возбужденным, состояниям бензола. Реальный же статус молекулы — ни то ни се. Промежуточное бытие, которое возникает в результате взаимодействия предельных структур. Мезосостояние, как назвали его ученые. И хотя еще сам Кекуле подозревал, что любая из его формул — кривое зеркало призрака, было введено представление о мезомерии. Дескать, предельные структуры путем перераспределения химических связей перевоплощаются в реально существующую мезоструктуру.

Под зыбкую идею многоликих химических фантомов вскоре был подведен квантово-механический фундамент.

Американский физико-химик Полинг предложил рассматривать строение молекул, не укладывающихся в обычную валентную схему, как результат электронного резонанса.

Термину «резонанс» не сыскать, пожалуй, подходящей аналогии ни в музыке, ни в радиотехнике. Это скорее удобная метафора, не более, хотя и ведет свою родословную от конкретного физического явления.

К высокой перекладине на тоненьких ниточках подвешены два массивных шара. Оба связаны друг с другом слабой пружинкой. Подтолкните один шар. Он покачается, покачается и остановится. А тем временем отклонение второго шара от равновесия достигнет наибольшего размаха. Так начнется чередование: колебания одного шара затухают, другого, наоборот, нарастают. В таком случае можно говорить о колебании единой системы, состоящей из двух маятников. Это сложное движение можно представить как сумму двух колебаний: одного с меньшей частотой, другого — с большей, чем у шара, не связанного пружиной с другим.

Расщепление уровней у атомов водорода при объединении их в молекулу H2 рассматривается в квантовой механике как своего рода «резонанс» электронов. Роль пружины играет валентная связь. И, подобно тому как движение связанных маятников можно разложить на два других с большей и меньшей частотой, энергетические уровни взаимодействующих электронов расслаиваются.

Полинг приложил идею электронного резонанса к многоатомным молекулам. В частности, к бензолу.

Очевидно, что две структуры Кекуле соответствуют состояниям молекулы с одинаковой энергией. Мы имеем право условно считать такую систему «резонансной», подобно двум атомам водорода, объединяющимся в молекулу. А раз так, то уровень энергии бензола тоже «расщепляется». И реальная молекула С6Н6 должна, естественно, находиться на более низком, самом устойчивом уровне. Только так можно объяснить отклонение молекулы бензола от принципа аддитивности.

Этот принцип вытекает из теории химического строения. Валентная схема предполагает, что одни и те же связи в разных молекулах сохраняют свойство неизменными. Следовательно, свойства молекулы в целом можно представить как сумму свойств отдельных связей. Так оно и есть во многих случаях. Скажем, у этана С2Н6 или октана С8Н18. Даже у соединений, имеющих одновременно ординарные и двойные связи. Но лишь в том случае, если они не сопряжены, не чередуются через одну, как в бензоле.

Если сложить энергии образования трех C = C и трех C—C связей, то сумма окажется меньше, чем энергия образования бензола, на целых 35 килокалорий. Аддитивности нет. Далее: длина связи C—C равна 1,54 единицы, связи С = С 1,33 единицы, а у бензола все связи одинаковы и равны 1,394. Тоже отклонение от аддитивности. Вот почему Полинг предложил для описания бензола использовать всю совокупность валентных схем. Это, конечно, не значит, что бензол являет собой смесь изомеров — веществ одного состава, но разной структуры. Более того: Полинг отмежевался и от мезомерии, которую часто путали с резонансом. Теория мезомерии предполагает, что молекула бензола непрерывно превращается из одной формы в другую. Дескать, если бы удалось сфотографировать бензольную структуру на кинопленку со скоростью 1030 кадров в секунду, то на одном кадре мы увидели бы одну формулу Кекуле, на другом — вторую. Но это не так. В действительности, по Полингу, подобный эксперимент дал бы одно и то же смешанное состояние. Так что понятие резонанса здесь имеет своеобычное квантово-механическое толкование.