Тайна валентного штриха. Часть первая.

Атомиум

…Все было изумительно просто. Вы входите в скоростной лифт, нажимаете кнопку — и через 20 секунд вы внутри атома железа, на высоте 110 метров над землей. А если угодно, вы легко можете опуститься по эскалатору в остальные восемь атомов. Наконец, когда путешествие по кристаллической решетке железа станет утомительным, можно выйти наружу и, сидя за столиком в соседнем кафе, любоваться феерическим зрелищем движения электронов вокруг ядра.

Иллюзию вращения электронов создавали прожекторы. Пронзая ночной мрак, лучи скользили по сверкающей поверхности гигантских шаров «Атомиума» — архитектурного сооружения на Брюссельской выставке, изображавшего ячейку кристаллической решетки железа. Включил прожектор — и картина электронной структуры как на ладони. Эффектно и просто, не правда ли? (А еще на брюссельском Атомиуме порой играет удивительная гитарная музыка, интересно можно ли найти к ней табы, скажем на сайте Tab-pro).

Атомиум

Чуточку сложнее обстоит дело с реальными атомными архитектурами. Химики хорошо знают, что вокруг ядра атома железа вращается 26 электронов. А математики помнят, что положение каждого электрона в пространстве определяется тремя координатами. Это значит, что в простейшем уравнении, описывающем только одно энергетическое состояние атома железа, будут фигурировать 78 переменных. Точное решение уравнения потребовало бы вычисления 1078 значений различных физических величин. Чтобы напечатать подобную таблицу, не хватило бы не только всей бумаги Земли, но и вообще вещества в Солнечной системе.

Впрочем, что говорить о железе! Полный точный расчет выполнен пока лишь для атома водорода. Между тем химиков чрезвычайно интересуют электронные состояния не только простейшего представителя менделеевской таблицы. Им подавай и углерод, и азот, и кислород, да к тому же не поодиночке, а в компании с другими элементами. Да чтобы эта «компания» оказалась молекулой соединения, важного в практическом и теоретическом отношении. Что ж, таких соединений хоть отбавляй. Все они ждут, когда за них примутся химики-квантовики.

Немало диковинок встречается в мире молекул. С затейливыми названиями. С редкостными свойствами. С увлекательной биографией. Но эти…

Их называют так: соединения с сопряженными связями. Теми самыми связями, что придают полимерам совершенно необычные свойства. Свойства сверхпроводников, например. Полупроводников. Магнитов. Связями, которые вот уже без малого сто лет интригуют ученых своей загадочностью. А началось все с простенького архитектурного сооружения. Простенького, но куда более необычного, чем брюссельский «Атомиум».

Это сооружение воздвигли не из металла. Даже не из камня. Из чернильных черточек на бумаге. И оно поначалу вовсе не поражало воображение ни вычурностью архитектуры, ни грандиозными масштабами. Напротив — то был крохотный незатейливый шестиугольник. Единственной достопримечательностью его было чередование двойных и единичных линий, образовывавших стороны плоской фигуры. Но именно эта деталь и смутила вскоре химиков.

Да, химиков, ибо автором шестиугольной конструкции был отнюдь не зодчий. Правда, Фридрих Август Кекуле, профессор Гентского университета, смолоду и в самом деле собирался посвятить себя архитектуре. Но судьба распорядилась иначе. Он стал архитектором от химии, талантливым конструктором молекулярных формул. И шедевром зодческого искусства Кекуле по праву считается шестиугольная формула бензола, опубликованная им в 1865 году. Формула, которая вполне могла и не появиться на свет, если бы Кекуле не придерживался бутлеровских взглядов на химическое строение. Ибо в те времена оживленно дискутировался даже такой ясный для нас вопрос: а можно ли вообще изобразить строение какого угодно вещества одной формулой?

Мы знаем, что водород одновалентен. Иными словами, может вступить в химическую связь только с одним атомом. Эта единичная связь изображается черточкой. Валентность углерода равна четырем. Значит, каждый его атом располагает набором из четырех связей — черточек. Весь комплект штрихов в случае бензола расходуется на установление межатомных контактов между шестью атомами С и столькими же атомами Н. Простенькая геометрическая комбинация! А в те годы, когда Кекуле принялся возводить свою знаменитую архитектуру, валентный штрих был непроверенным нововведением.

Поначалу строительство шло гладко. Кекуле отлично знал, что в бензольной цепочке все атомы углерода равноценны. Ага, рассуждал он, цепочка не может быть разомкнутой. Иначе краевые звенья отличались бы по химическим свойствам от тех, что в середине. И вот на свет появился замкнутый цикл. Шестичленное кольцо, в котором одиночные и двойные связи между атомами углерода и водорода, а также штрихи, обозначающие связь между С и Н, опускаются. Получается нечто вроде шестиугольного штурвала без рукояток. Голый скелет, составленный из С—С связей. И надо же было так случиться, что скелет оказался призраком!

Формула бензола стала величайшим откровением своего времени и наряду с этим… величайшим заблуждением. «В бензоле нет обычных двойных связей»,— напишет вскоре Кекуле, чтобы тем самым поставить перед наукой проблему, которая неразрешима в рамках классической теории химического строения.

Да, чередование одиночных и двойных штрихов в бензольном кольце оказалось фикцией. В физическом смысле слова. Правда, фикцией удобной — в химическом смысле слова. Настолько удобной, что органики до сей поры втихомолку используют в своих длинных выкладках элегантную конструкцию Кекуле. Что ж, химикам вполне достаточно того, что формула наглядно отражает картину целочисленных межатомных взаимоотношений при любых превращениях бензола, наблюдаемых в пробирке. И впрямь: к чему экспериментаторам вдаваться в физический смысл валентного штриха? Но дотошным химикам-теоретикам, а особенно физикам… Не счесть, сколько хлопот доставила им структура Кекуле!

Вообще говоря, формула вроде бы правильна. Во-первых, потому что в ней действительно присутствуют три двойные связи. Доказательство? Пожалуйста: бензол присоединяет ровно шесть атомов водорода — по паре на каждую двойную связь, разрывающуюся в процессе реакции. Во-вторых, двойные связи чередуются. Это подтверждается тем, что бензол можно получить из трех молекул ацетилена НС = СН.

Каждая из молекул ацетилена напоминает шейку трехструнной балалайки. Представьте, что у всех трех инструментов лопнуло по одной струне. Осталось три грифа, с двумя целыми струнами и с двумя обрывками каждый. Нетрудно соединить теперь обрывок струны одной балалайки с обрывком другой. Скрепленные воедино два обрывка — модель одиночной связи. Совершенно очевидно, что связанные струны оказались между двухструнными балалайками. Так что никуда не денешься: одиночные и двойные связи в бензоле должны чередоваться. Должны. Но чередуются ли?

Есть такое вещество — ортодихлорбензол. Его получить несложно — стоит только на две соседние вершины бензольного шестиугольника посадить по атому хлора взамен атомов водорода. Химики умеют это делать без труда. Если справедлива формула Кекуле, то возможны два варианта структуры ортодихлорбензола: когда между этими соседними вершинами с атомами хлора заключена двойная связь и когда между ними связь одиночная. Химический состав один. А физические свойства должны разниться! Хотя бы не намного. Между тем, известен лишь один-единственный тип ортодихлорбензола. Выходит, одиночная и двойная связь равнозначны?

Как?! Это же противоречит фундаментальнейшему положению бутлеровской теории химического строения! Да и разговоры о чередовании утрачивают всякий смысл. Химики вынуждены были отыскивать выход из тупика. Дьюар предложил симметричную структуру бензола, в которой одна из связей соединяла не соседние, как у Кекуле, а противолежащие вершины: посыпались формулы с перекрестными валентными штрихами. Была даже предпринята попытка вырваться из плоскости и возвести объемную архитектуру в виде трехгранной призмы с атомами углерода в шести ее вершинах. Но, увы, все поползновения сохранить целочисленность межатомного взаимодействия, приписываемую валентному штриху, оставались тщетными. Новые постройки грешили еще более уродливыми несообразностями, чем классическая конструкция Кекуле.

Тогда Тиле, коллега и соотечественник Кекуле, отвергнув табу целочисленности, нарисовал внутри бензольного шестигранника пунктирную оторочку: Взяв от каждой двойной связи по одному валентному штриху, он расщепил их на шесть половинных! В лицо теории строения был брошен прямой вызов. Но, увы, робкая догадка Тиле опиралась всего лишь на зыбкую почву интуиции.

А Кекуле? Родительская слепота не мешала ему видеть пороки своего детища. Сомнения привели ученого к осцилляционной гипотезе. Дескать, реальное состояние бензола — мгновенные переходы прежней формулы Кекуле в ее зеркальное изображение. Выходило, будто одному соединению присущи две разные формулы! Архитектор собственноручно взрывал фундамент, на котором стояло его сооружение,— бутлеровскую теорию строения…

Продолжение следует.

Автор: Л. Бобров.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *