Эта увлекательная химия - страница 9

Споры вокруг теории строения бензола прекратились всего несколько десятилетий назад. Каковы же современные представления об электронном строении бензола? Каждый атом углерода в бензоле находится в sp^>2-гибридизованном состоянии. Напомним, что это значит. Из четырех электронов каждого углерода один s- и два р-электрона образуют три совершенно одинаковые sp^>2-гибридные орбитали, которые лежат в одной плоскости под углами 120° друг к другу. Две из этих орбиталей используются для перекрывания с такими же орбиталями двух соседних углеродов, а одна — для образования связи с атомом водорода. Все эти электроны образуют σ-электронный остов бензола. Над и под каждым углеродным атомом расположена объемная восьмерка р-электрона. Теперь представим себе, что в бензольном кольце восьмероки р-электронов попарно перекрываются "боками", т. е. образуют три двойные связи. Это и есть электронная модель бензола, описываемая на бумаге формулой Кекуле.

Если формула Кекуле верна, то расстояния в молекуле бензола между двумя соседними углеродами должны быть разными: 0,154 нм между атомами, у которых р-облака не перекрываются, и 0,133 нм между углеродами, связанными π-связью.

Но исследование бензола физическими методами показало, что все расстояния в молекуле строго одинаковы и длина связи С-С равна 0,140 нм, т. е" среднему значению между длинами простой и двойной связи. Логично предположить, что каждая электронная восьмерка-орбиталь перекрывается одинаково и одновременно с такими же восьмерками двух соседей.

Итак, для каждого углеродного атома бензола оба соседа — и справа, и слева — совершенно равноценны. Больше того, современные физические методы позволили установить, что все шесть атомов углерода постоянно обмениваются своими π-электронами, так что по бензольному шестиугольнику может циркулировать кольцевой ток.

В этой таблице обобщаются наши знания о реальном бензоле и гипотетическом циклогексатриене

Казалось бы все ясно: формула Кекуле неверна, надо ее забыть, заменить другой, более точно передающей истинное положение вещей, например, шестиугольником со вписанной в него окружностью (эта, окружность символизирует шестерку π-электронов, усредненных между всеми атомами углерода).

Но химики не спешат расставаться с формулой Кекуле: она удобна и привычна и для многих целей вполне удовлетворительна. Главное только — помнить, что скрывается за этой формулой.

В 30-е годы американский ученый Лайнус Полинг нашел новое применение привычной, но неточной формуле. Формула Кекуле была использована в квантовохимических расчетах молекулы бензола.

Известно, что электрон обладает одновременно свойствами частицы и волны. Поведение электрона в квантовой механике описывается так называемой волновой функцией φ (пси). Для того чтобы определить вид этой функции, необходимо решить уравнение Шредингера, которое показывает зависимость изменения φ от силового поля, в котором движется электрон. Это уравнение имеет достаточно сложный вид:

где Е — полная энергия электрона, V — его потенциальная энергия, m — масса электрона, h — постоянная Планка.

В этом уравнении ∇^>2 — это оператор, который означает дифференцирование функции φ, т. е.

Сложно? Еще сложнее решение этого уравнения. Но пусть не пугается читатель, не знакомый с высшей математикой — мы не будем решать уравнения Шредингера. В большинстве случаев (мы имеем в виду многоэлектронные молекулы) эта задача непосильна даже для электронно-вычислительных машин. Но ученые находят приближенные методы, которые позволяют все-таки на основе расчета узнать многое о поведении электронов в молекуле. Один из таких методов и предложил Полинг.

Полинг представляет бензол в виде двух формул Кекуле (А и В):

Волновая функция φ для реально существующей молекулы бензола приближенно равна сумме волновых функций φ_>A и φ_>В не существующих в действительности структур А и В:

Волновую функцию φ называют резонансной.

При всех таких формальных математических манипуляциях главное — не забывать, что отдельные резонансные структуры А и В не выражают реальных состояний молекулы бензола. Основоположники описываемой нами теории резонанса проводили такое сравнение.