2 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.
Из новых теоретических предпосылок родилась разновидность метода валентных связей — метод наложения валентных структур, он же метод резонанса. В нем квантово-химическое уравнение представлено суммой ряда функций. Каждому слагаемому Полинг сопоставил одну из возможных формул. А сумму в целом предложил толковать как «резонанс» валентных структур.
Казалось, наконец-то бедняге бензолу повезло! Пусть у бензола нет единого архитектурного образа. Все пойдут в дело. Стоит только «наложить» их друг на друга. То есть проделать расчет для одной структуры, потом для другой, а результаты сложить. Вот почему для описания одного и того же соединения Полинг предложил использовать весь набор разношерстных структурных формул.
Но в том-то и загвоздка, что язык букв и черточек предоставляет в распоряжение химиков всего лишь упрощенные (ради наглядности) схемы. Между тем трижды прав Малликен, сказавший как-то: «Химическая связь не такая простая вещь, как кажется некоторым людям».
А вот что говорит сам Полинг: «Разные варианты структур скорее возможны, нежели реальны. И я не отвергаю обвинений в „идеализации“. Но ведь в классической теории Бутлерова штрихи двойной связи — тоже символ, некая идеализация!»
Валентные штрихи — слишком грубый образ, чтобы передать все тонкости того, как распределена электронная плотность. Известны соединения, которые вообще не могут быть описаны одними буквами и черточками. Приходится вводить архитектурные украшения в виде знаков «плюс» или «минус», чтобы хоть как-то отразить распределение зарядов.
Да и сам метод расчета, довольно искусственный, формальный, изобретенный лишь для удобства математиков, трудно назвать абсолютно безупречным. Главный его изъян — произвол в выборе валентных схем. У нафталина, например, их тридцать четыре, хотя молекула его ненамного сложнее бензольной (она получится, если «склеить» сторонами два шестиугольника Кекуле). У антрацена, «склеенного» из трех молекул бензола, — целых 429 схем! Из огромной галереи портретов надо выбрать (в целях упрощения расчетов) несколько штук. То-то и оно: выбрать! И произвольно приписать им «статистический вес» — вероятность данного состояния.
Ситуация получилась парадоксальной. С одной стороны, химическая графика существует ради наглядности. С другой — любая валентная схема, взятая отдельно, явно недостаточна, даром что наглядна. Чтобы передать все хитрости молекулярной структуры, приходится чертить десятки, если не сотни, штриховых изображений. Тут уж от наглядности не остается и следа.
У бензола коллекция электронных состояний поскромнее. Всего пять, если к двум формулам Кекуле присовокупить еще и три «резонирующие» структуры Дьюара:
Причем выбирать не нужно: в дело идут все. Пять «состояний» — пять слагаемых в квантово-химическом уравнении. Так что, казалось бы, ни о каком произволе и речи быть не может. Но вот сопоставили результаты расчета с данными другого метода. Метода молекулярных орбит. Там принимается, что электроны распылены по всей молекуле, а не закреплены в виде балясин в отдельных связях. При вычислении эффективных зарядов обнаружились чуть ли не десятикратные расхождения! Таким образом, ни формальный подход химиков-квантовиков к бутлеровским структурам, ни попытка их глубоко проникнуть в сущность валентного штриха, несмотря на отдельные успехи, не решали проблему в целом. Сопряженная связь оказалась крепким бастионом даже для тяжелой математической артиллерии. Но ученые не отступают перед трудностями.
Если математика спотыкается в расчетах, значит физическая модель не без изъяна. Значит, надо уточнять электронную архитектуру молекулы.
В 1951 году советский химик Георгий Владимирович Быков высказал оригинальную идею. Пи-электронные заряды атомов равны нулю! Ну хорошо, а что станет с нашими балясинами? Прежде чем разобраться в этом вопросе, придется вспомнить некоторые интересные физические особенности соединений с сопряженными связями.
Магнитное поле выталкивает пробирку с бензолом, нафталином, антраценом или другим ароматическим соединением. В чем дело? Объяснение одно. Под действием магнитного поля электроны начинают циркулировать по замкнутым цепям. Такими цепями в органических соединениях служат молекулярные циклы, подобные бензольному. А всякий замкнутый ток — по существу магнит. Потому-то пробирка и «выпрыгивает» из магнитного поля.
И впрямь бензол похож на железо, из которого построен «Атомиум»!
Но это еще не все. Известно, что графит проводит ток. А вот алмаз нет. Хотя оба — одно и то же вещество. Чистый углерод. Почему? В отличие от алмаза графит имеет слоистое строение. Кристаллографическое исследование показало, что слои представляют собой «паркет», выложенный шестиугольными плитками. И что плитка — углеродный остов бензола! Графит проводит ток вдоль слоев гораздо лучше, чем поперек. Именно потому, что электроны легко скользят по ребрам плиток.
Экспериментальные факты подвели ученых к любопытному заключению. Молекулы ароматических соединений, помещенных в магнитное поле, обладают свойствами проводников! Точнее, сверхпроводников. Ведь электроны обегают циклическую цепь без всякого сопротивления.
Но если так, то в молекулах с сопряженными связями должны присутствовать, как и в кристаллических решетках металлов, свободные электроны. Свободные — это значит не прикрепленные к отдельным связям! И такие электроны есть.
Помните наши балясины? Тогда мы пририсовали к сигма-штриху между C и C вторую валентную черточку. Сплошную линию, которая символизировала собой сцепление пары балясин. А зря. Надо было нарисовать не сплошную черточку, а прерывистый пунктир. И протянуть его не только над сигма-штрихом двойной связи, но и над соседними сигма-штрихами одиночных связей. Так ведь это же не что иное, как формула Тиле! Да, если угодно, это она. Старая знакомая, однако смысл новый. Пунктирный кант — никакие не половинные валентности. Это символ обобществления пи-электронов вдоль всей цепи. Каждая балясина взаимодействует с обоими соседями. Образуется непрерывная цепочка взаимосвязанных электронных облаков.
Так постепенно уточнялась модель пи-связей. Квантово-химические расчеты убедительно свидетельствовали, что она является гораздо большим приближением к действительности, чем прежняя. И тем не менее трудности давали о себе знать.
Теперь, когда обобществленное электронное облако протянулось сплошь по всей молекулярной цепочке, особенно много беспокойства доставлял ученым вопрос о границах. Как отделить одно углерод-углеродное звено от другого? Точно определить, какая часть облака находится окрест атома, какая — в межатомном пространстве, было практически невозможно. Приходилось выделять часть облака, находящегося около атома, в особую зону. Не мудрено, что установлению демаркационной линии сопутствовал произвол. Этот произвол и приводил к расхождению результатов при расчетах разными методами.
Вот тогда-то и была высказана Быковым новая идея — пи-электронные заряды атомов равны нулю. Иными словами, пи-электронное облако расквартировано целиком в межатомном пространстве. Новое понятие — электронные заряды связей — было предложено считать вполне реальной структурной характеристикой молекулы.
Необходимость делить электронное облако между атомом и связью отпала. Неопределенность в установлении границ при подобном разделе — тоже. Расчеты существенно упростились.
Вскоре американские теоретики Рюденберг и Шерр разработали новую модель пи-связей. Модель одномерного электронного газа. В поле положительно заряженного сигма-электронного остова движутся пи-электроны. Движутся свободно, независимо друг от друга — совершенно иначе, чем это позволяли представить балясины, накрепко привин