Глазами Монжа-Бертолле

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.

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».