Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров

и двойные связи между атомами углерода чередуются. Ради краткости в формуле латинские символы углерода и водорода, а также штрихи, обозначающие связь между C и H, опускаются. Получается голый скелет, составленный из CC связей. И надо же было так случиться, что скелет оказался призраком!

Читатель! Чувствуя собственное превосходство, не забывай: своей эрудицией ты обязан и ошибкам на которых учились наши предки.

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 используют в своих длинных выкладках элегантную конструкцию Кекуле. Что ж, химикам вполне достаточно, 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!

С одной стороны, 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 HC = HC.

Каждая из них напоминает шейку трехструнной балалайки. Представьте, что у всех трех инструментов лопнуло по одной струне. Осталось три грифа с двумя струнами и с двумя обрывками каждый. Нетрудно соединить теперь обрывок струны одной балалайки с обрывком другой. Два обрывка, скрепленных воедино, — модель ординарной связи. Совершенно очевидно, что связанные струны оказались между двухструнными балалайками. Так что никуда не денешься: ординарные 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. Если справедлива формула Кекуле, то возможны два варианта структуры ортодихлорбензола:

когда между атомами хлора заключена двойная связь и когда между ними связь ординарная.

Химический состав один. А физические свойства должны разниться! Хотя бы ненамного. Между тем известен лишь один-единственный тип ортодихлорбензола. Выходит, ординарная и двойная связь равнозначны? Но это же противоречит фундаментальнейшему положению бутлеровской теории химического строения! Да и разговоры о чередовании утрачивают всякий смысл…

Химики заметались, мучительно отыскивая 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, двойные и единичные штрихи непрерывно меняются местами. И реальное состояние бензола — дрожь, непрерывная вибрация сопряженных связей. Иными словами, мгновенные превращения прежней формулы Кекуле в ее зеркальное отображение:

Выходило, будто одному соединению присущи две разные формулы! Архитектор собственноручно взрывал фундамент, на котором стояло его сооружение, — бутлеровскую теорию строения. Осциллирующие бензольные кольца Кекуле оказались изящными шестиугольными обручами, которые скрепляли гнилые доски пустого теоретического бочонка…

Теоретическая химия переживала кризис.

Парадокс бензола взбудоражил умы. Химики поняли, что без помощи физиков им не разобраться в загадке сопряженных связей и вообще в природе валентности. Химия ждала, с надеждой взирая на физику…

И вот в 1897 году на арену вышел электрон. Мельчайший шарик электричества, он всколыхнул воображение ученых. Еще бы: когда его обмерили и взвесили, оказалось, что он меньше самого крохотного атома!

Как оказалось позднее, он вовсе не шарик! Но, не поиграв в эти шарики, химики не создали бы теорию химической связи.

Не из таких ли более мелких кирпичиков состоит сам «неделимый»? И уж коли он нейтрален, то отрицательный заряд, обусловленный присутствием электронов, автоматически заставляет предположить и существование в атоме электроположительных деталей. Если пользоваться терминологией Берцелиуса, уже не молекула, а атом имел двойственную электрическую природу.

Два года спустя Абегг и Бодлендер высказали гипотезу: молекула — система электрических зарядов! Теперь, когда ученые уверовали в дробимость атома Лукреция, одну и ту же частицу молекулы можно было представить себе либо электроотрицательной, либо электроположительной. Все зависело от соотношения статей «приход» и «расход» в атомной бухгалтерии. Равенство того и другого соответствовало статусу нейтрального атома: положительные заряды полностью уравновешены противоположно заряженными электронами. Стоило, однако, в графе «расход» вычеркнуть один или несколько электронов, как атом тотчас превращался в ион со знаком «плюс». Если же в «атомном гроссбухе» регистрировалась электронная «прибыль», ион оказывался заряженным отрицательно. А разноименные ионы, как известно, тяготеют друг к другу. Не здесь ли таилась загадка химической связи? Не к обмену ли электронов между атомами сводится химическое взаимодействие?

Загадок было больше, чем догадок. На стройный парусник лукрецианской химии обрушился девятый вал новых экспериментальных фактов, новых теоретических идей.

Трудно назвать точную дату, когда началась история новой химии. Революция назревала подспудно. Но несомненно, что одной из самых знаменательных вех в химии стало физическое обоснование менделеевского закона. Выяснилось, что порядковый номер каждого элемента равен положительному заряду ядра, а отсюда — и количеству вращающихся вокруг него электронов. Периодичность в химических свойствах была поставлена в зависимость от числа электронов на внешней орбите. Именно они обусловливали валентность атомов в химических соединениях. Но как? Каким образом возникали валентные связи? Что представляла собой физически электронная архитектура молекулы?

Казалось бы, куда проще: вот два нейтральных атома, скажем натрия и хлора, решили объединиться в коллектив. Вокруг ядра у натрия вращается 11 электронов. Из них на внешней орбите — один.