Таємниця валентного штриха

…Все було дивовижно просто. Ви входите у швидкісний ліфт, натискаєте кнопку – і через 20 секунд ви всередині атома заліза, на висоті 110 метрів над землею. А якщо завгодно, ви легко можете опуститися по ескалатору в інші вісім атомів. Нарешті, коли подорож по кристалічній решітці заліза стане втомливою, можна вийти назовні і, сидячи за столиком в сусідньому кафе, милуватися феєричним видовищем руху електронів навколо ядра.

Ілюзію обертання електронів створювали прожектори. Пронизуючі нічний морок, промені ковзали по блискучій поверхні гігантських куль «Атоміума» – архітектурної споруди на Брюссельській виставці, що зображала осередок кристалічної решітки заліза. Включив прожектор – і картина електронної структури як на долоні. Ефектно і просто, чи не так?

Трішки складніше йде справа з реальною атомною архітектурою. Хіміки добре знають, що навколо ядра атома заліза обертається 26 електронів. А математики пам’ятають, що положення кожного електрона в просторі визначається трьома координатами. Це означає, що в найпростішому рівнянні, що описує тільки один енергетичний стан атома заліза, будуть фігурувати 78 змінних. Точне рішення рівняння зажадало б обчислення +1078 значень різних фізичних величин. Щоб надрукувати подібну таблицю, не вистачило б не тільки всього паперу Землі, але і взагалі речовини в Сонячній системі.

Втім, що говорити про залізо! Повний точний розрахунок виконаний поки лише для атома водню. Тим часом хіміків надзвичайно цікавлять електронні стани не тільки найпростішого представника менделєєвської таблиці. Їм подавай і вуглець, і азот, і кисень, та до того ж не поодинці, а в компанії з іншими елементами. Так щоб ця «компанія» виявилася молекулою сполуки, важливої в практичному і теоретичному відношенні. Що ж, таких з’єднань хоч відбавляй. Всі вони чекають, коли за них візьмуться хіміки-квантовики.

Чимало чудасій зустрічається в світі молекул. З вигадливими назвами. З рідкісними властивостями. З цікавою біографією. Але ці…

Їх називають так: з’єднаннями із спряженими зв’язками. Тими самими зв’язками, що надають полімерам абсолютно незвичайні властивості. Властивості надпровідників, наприклад. Напівпровідників. Магнітів. Зв’язками, які ось вже без малого сто років інтригують вчених своєю загадковістю. А почалося все з простенької архітектурної споруди. Простенької, але куди більш незвичайної, ніж брюссельський «Атоміум».

Цю споруду спорудили не з металу. Навіть не з каменю. З чорнильних рисок на папері. І вона спочатку зовсім не вражала ні химерністю архітектури, ні грандіозними масштабами. Навпаки – то був крихітний невигадливий шестикутник. Єдиною пам’яткою його було чергування подвійних і поодиноких ліній, що утворювали боки плоскої фігури. Але саме ця деталь і збентежила незабаром хіміків.

Так, хіміків, бо автором шестикутної конструкції був аж ніяк не зодчий. Правда, Фрідріх Август Кекуле, професор Гентського університету, змолоду і справді збирався присвятити себе архітектурі. Але доля розпорядилася інакше. Він став архітектором від хімії, талановитим конструктором молекулярних формул. І шедевром архітектурного мистецтва Кекуле по праву вважається шестикутна формула бензолу, опублікована ним в 1865 році. Формула, яка цілком могла і не з’явитися на світ, якби Кекуле не дотримався Бутлерівських поглядів на хімічну будову. Бо в ті часи жваво дискутувалося навіть таке ясне для нас питання: а чи можна взагалі зобразити будову якої завгодно речовини однією формулою?

Ми знаємо, що водень одновалентний. Іншими словами, може вступити в хімічний зв’язок тільки з одним атомом. Цей одиничний зв’язок зображується рискою. Валентність вуглецю дорівнює чотирьом. Значить, кожен його атом володіє набором з чотирьох зв’язків – рисок. Весь комплект штрихів в разі бензолу витрачається на встановлення міжатомних контактів між шістьма атомами С і стількома ж атомами Н. Простенька геометрична комбінація! А в ті роки, коли Кекуле почав зводити свою знамениту архітектуру, валентний штрих був неперевіреними нововведенням.

Спочатку будівництво йшло гладко. Кекуле відмінно знав, що в бензольному ланцюжку всі атоми вуглецю рівноцінні. Ага, міркував він, ланцюжок не може бути розімкнутим. Інакше крайові ланки відрізнялися б за хімічними властивостями від тих, що в середині. І ось на світ з’явився замкнутий цикл. Шестичленне кільце, в якому поодинокі і подвійні зв’язки між атомами вуглецю і водню, а також штрихи, що позначають зв’язок між С і Н, опускаються. Виходить щось на зразок шестикутного штурвала без рукояток. Голий скелет, складений з С-С зв’язків. І треба ж було так статися, що скелет виявився примарою!

Формула бензолу стала найбільшим одкровенням свого часу і поряд з цим… найбільшою помилкою. «У бензолі немає звичайних подвійних зв’язків», – напише незабаром Кекуле, щоб тим самим поставити перед наукою проблему, яка нерозв’язна в рамках класичної теорії хімічної будови.

Так, чергування одиночних і подвійних штрихів в бензольному кільці виявилося фікцією. У фізичному сенсі слова. Правда, фікцією зручною – в хімічному сенсі слова. Настільки зручною, що органіки до цієї пори нишком використовують в своїх довгих викладках елегантну конструкцію Кекуле. Що ж, хімікам цілком достатньо того, що формула наочно відображає картину цілочисельних міжатомних взаємин при будь-яких перетвореннях бензолу, які спостерігаються в пробірці. І справді: до чого експериментаторам вдаватися в фізичний зміст валентного штриха? Але допитливим хімікам-теоретикам, а особливо фізикам… Не злічити, скільки клопоту доставила їм структура Кекуле!

Взагалі кажучи, формула начебто правильна. По-перше, тому що в ній дійсно присутні три подвійні зв’язки. Доведення? Будь ласка: бензол приєднує рівно шість атомів водню – по парі на кожний подвійний зв’язок, розривається в процесі реакції. По-друге, подвійні зв’язки чергуються. Це підтверджується тим, що бензол можна отримати з трьох молекул ацетилену НС = СН.

Кожна з молекул ацетилену нагадує шийку триструнної балалайки. Уявіть, що у всіх трьох інструментів лопнуло по одній струні. Залишилося три грифа, з двома цілими струнами і з двома шматками кожен. Неважко з’єднати тепер обривок струни однієї балалайки з уривком іншої. Скріплені докупи два обривка – модель одиночного зв’язку. Цілком очевидно, що пов’язані струни виявилися між двострунними балалайками. Так що нікуди не дінешся: одиночні і подвійні зв’язки в бензолі повинні чергуватися. Повинні. Але чи чергуються?

Є така речовина – ортодіхлорбензол. Її отримати нескладно – варто лише на дві сусідні вершини бензольного шестикутника посадити по атому хлору замість атомів водню. Хіміки вміють це робити без зусиль. Якщо справедлива формула Кекуле, то можливі два варіанти структури ортодіхлорбензола: коли між цими сусідніми вершинами з атомами хлору укладений подвійний зв’язок і коли між ними зв’язок поодинокий. Хімічний склад один. А фізичні властивості повинні відрізнятися! Хоча б не набагато. Тим часом, відомий лише один-єдиний тип ортодіхлорбензола. Виходить, одиночний і подвійний зв’язок рівнозначні?

Як?! Це ж суперечить фундаментальним положенням бутлерівської теорії хімічної будови! Та й розмови про чергування втрачають будь-який сенс. Хіміки змушені були шукати вихід з глухого кута. Дьюар запропонував симетричну структуру бензолу, в якій один із зв’язків єднають не сусідні, як у Кекуле, а протилежні вершини: посипалися формули з перехресними валентними штрихами. Була навіть зроблена спроба вирватися з площини і звести об’ємну архітектуру у вигляді тригранної призми з атомами вуглецю в шести її вершинах. Але, на жаль, всі наміри зберегти цілочисельність міжатомної взаємодії, приписувану валентному штриху, залишалися марними. Нові споруди грішили ще більш потворними невідповідностями, ніж класична конструкція Кекуле.

Тоді Тіле, колега і співвітчизник Кекуле, відкинувши табу цілочисельності, намалював всередині бензольного шестикутника пунктирну оторочку: взявши від кожного подвійного зв’язку по одному валентному штриху, він розщепив їх на шість половинних! В обличчя теорії будови був кинутий прямий виклик. Але, на жаль, боязкий здогад Тіле спиралася лише на хиткий грунт інтуїції.

А Кекуле? Батьківська сліпота не заважала йому бачити пороки свого дітища. Сумніви привели вченого до осциляційної гіпотези. Мовляв, реальний стан бензолу – миттєві переходи колишньої формули Кекуле в її дзеркальне зображення. Виходило, ніби одному з’єднанню притаманні дві різні формули! Архітектор власноруч висаджував фундамент, на якому стояло його спорудження, – Бутлерівська теорію будови…

Теоретична хімія переживала кризу. Парадокс бензолу розбурхав уми. Хіміки зрозуміли, що без допомоги фізиків їм не вдасться розібратися в загадці сполучених зв’язків і взагалі в природі валентності. Хімія чекала, з надією дивлячись на фізику…

У 1897 році був відкритий електрон. А два роки по тому Абегг і Бодлендер висловили припущення: молекула – система електричних зарядів! Гіпотеза ковалентного зв’язку Льюїса прояснила сенс валентного штриха: це пара взаємодіючих електронів. По одному від кожного з атомів-партнерів, які об’єдналися в молекулу. У структурні формули замість штриха Льюїс став вводити дві точки – знак дублета (двох електронів). Найпростіший приклад ковалентного зв’язку – молекула водню Н:Н.

Льюїсівська «двокрапка» означала, зрозуміло, не просто суму двох електронів. Вона мала на увазі, що кожен електрон, що обертається близько ядра, як супутник навколо Землі, вступивши в союз зі своїм напарником, змушений змінити колишню траєкторію. Бо його тепер притягує ще й друга «планета» – ядро атома-сусіда.

У вуглецю шість зовнішніх супутників – електронів. І дві орбіти. На нижній два супутника, на верхній – чотири. Але тільки зовнішні електрони беруть участь в утворенні хімічного зв’язку. Ковалентний союз в разі вуглецю стійкий, якщо сума зовнішніх електронів (своїх і чужих) становить октет (вісімку).

Ось чому вуглець чотиривалентний: його верхній орбіті до повного комплекту не вистачає рівно чотирьох електронів. Їх можна запозичити у водню. Або вуглецю. Чотири валентних штриха, що розбігаються від кожної вершини в бензольному шестикутнику-штурвалу, – це чотири дублета, що дають вкупі необхідний октет. Так фізика дала відповідь на найглибше питання, яке їй коли-небудь задавала хімія. І тим не менше число і міра не поспішали проникати в світ невидимих архітектур. Перша ж спроба розрахувати молекулярну систему з ковалентним зв’язком зазнала фіаско. Але ж мова йшла про найпростішу систему – молекулу водню!

Уявіть собі звичайний глобус. На полюсах розміщені водневі ядра. На екваторі – пара електронів-антиподів, які наздоганяють одне одного в нескінченному круговороті. Ця модель, побудована Бором, враховувала новітні для того часу уявлення про атом. Але її кількісна увага не збігалася з досвідченими даними. Модель виявилася невірною. Який конфуз! Невже Льюїсівська теорія невірна? Невже підвели нові, з голочки, ідеї, взяті напрокат у фізики? Лише значно пізніше з’ясувалося, чому електрони вперто саботували закони ньютонівської механіки і класичної електродинаміки. Вони просто не хотіли бути примітивними пружними кульками, якими їх уявляли собі вчені того часу. Але тоді які ж вони насправді, ці дрібні атоми електрики, що зображувалися звичайними точками в льюїсівських дублетах і октетах?

Відповідь виявилася приголомшливою. Частка – хвиля! З одного боку, всі ознаки крихітної крупиці матерії. Скажімо, цілком певна маса. З іншого – така поведінка при проходженні електронного пучка через кристал, яка властива електромагнітним хвилям!

Традиційні мірки, які опинилися не впору дивними шматочку речовини-випромінювання, відкинула квантова механіка – дивовижна наука, яка розчленувала світловий промінь на порції, шматочки, названі квантами, а найдрібніші частинки матерії наділила хвильовими властивостями.

Вже не можна було уявляти собі електрон як крихітний Місяць, що обертається по геометрично чіткій трасі навколо маленької Землі – атомного ядра. Орбіта стала нагадувати розпливчасту шаровидну хмару, за якою «розмазаний» електрон-хвиля. Квантова механіка розробила спеціальний математичний апарат для розрахунку подібних мікросистем. І ось в 1927 році німецькі фізики Гейтлер і Лондон, виходячи з нової моделі, оцінили енергію зв’язку і між’ядерну відстань для молекули водню. Теоретичний розрахунок повністю збігся з експериментальними даними!

Це означало більше, ніж тріумф квантової техніки. Це було народження квантової хімії. Бо молекула водню – найпростіша хімічна сполука. Не просто сума двох атомів, а складна система, де ядра і електрони спаяні валентним зв’язком в цілісний колектив зі всіма властивими йому особливостями.

Древнє пробірне мистецтво отримало небачений досі інструмент для дослідження найтонших механізмів міжатомної взаємодії. Валентний штрих заговорив мовою математики, хвилюючи хіміків несподіваними одкровеннями.

Квантово-механічний розрахунок розкрив важливу ознаку ковалентного зв’язку – антипаралельність електронних спінів. «Спін» в перекладі з англійської означає кручення. Йдеться про обертання електрона, але вже не навколо ядра, а навколо власної осі при русі по орбіті. Спін надає електрону властивості крихітного магнітика. Якщо спіни паралельні, електрони відштовхуються один від одного. Виявилося, що всередині дублета обидва «веретена» мають спрямовані один до одного вістря, а значить, і крутяться в протилежні сторони. Стало бути, електрони-магніти притягуються. Так ось воно що! Нарешті з’ясувалася причина міжатомної взаємодії!

Зовсім ні. Розрахунок показав, що для встановлення міцного міжатомного союзу потрібно в мільйони разів більша енергія, ніж та, яку може забезпечити взаємний потяг пари електронів-магнітиків.

Тоді, може статися, міжатомні узи міцні тому, що електрон першого атома притягується позитивно зарядженим ядром другого, і навпаки? Теж ні! Справа в іншому. Особливий характер руху робить електрони невиразними. Рухливі електронні хмарки утворюють щось на зразок цілісної «хвилі», що стягує сусідні ядра в єдину молекулу. Однак, не володіючи скульптурною чіткістю контурів. Єдине хмарка все не безформна. Описати її контури допомогли знову ж квантово-хімічні обчислення. Виявилося, що вона віддалено нагадує двомісну шкаралупу арахісу, в’язнями якої замість горішків ми уявляємо собі атомні ядра. Отже, фізична картина валентної риски – «арахісовий горіх»? У разі молекули водню – так. У разі одинарного С-С зв’язку – теж так. А в разі подвійного – вже ні. Вірніше, наполовину ні. Тому що один з двох зв’язків все ж саме такий (його позначають грецькою буквою «сигма»), зате другий (пі-зв’язок) має зовсім інший вигляд. Як?

Зобразіть на аркуші паперу арахісовий горіх. У вас вийде плоский малюнок, схожий на вісімку. Це сигма-електронна хмара. Поставте по точці, вірніше, крихітному кухолю, в центрі кожної з округлостей «вісімки». Це ядра атомів вуглецю. З’єднаємо їх прямою. Перед нами креслення сигма-зв’язку. А тепер уявіть, що наша пряма лінія – палиця, на обох кінцях якої прикріплено по дволопатевому пропелеру. Намалюємо і їх. Отримали дві вісімки. Кожна вісімка плоска. Але так само, як і малюнок арахісового горіха, вона являє просторову фігуру. Щось на зразок товстої балясини з тонкою перемичкою посередині. «Балясина» – це пі-електронна хмара. Перемичка – місце, де знаходиться атом вуглецю. А де ж пі-зв’язок? Округлості обох балясин такі товсті, що входять один в одного (згадайте, що перед нами не міцні деревинки, а ефемерні уявні хмарки!). Ось це-то подвійне перекриття і є грубий начерк пі-зв’язку. Тепер ми можемо поєднати гуртки, що зображують атоми С, ще й другою лінією.

Картина подвійного вуглецевого зв’язку готова. Коли вчені розібралися в премудростях одиночного і подвійного ковалентних зв’язків, настала черга і бензолу. За допомогою рентгенівських променів вдалося уточнити справжню форму його «скелета». І що ж? Виявилося, що молекула бензолу – правильний плоский шестикутник. Тривимірна призматична архітектура відразу ж відпала. Всі шість зв’язків в бензолі однакової довжини. Відпали структури з перехресними штрихами і формула Дьюара. Кожний вуглець-вуглецевий зв’язок коротше звичайного одиночного, але довше подвійного. І всі вони рівноцінні. Так що і конструкція Кекуле відпадає! Що ж залишається? Формула Тіле. Але ж половинна валентності – абсурд! З якою ж формулою накажете розраховувати бензол?

Найцікавіше в тому, що і одиночні і подвійні зв’язки все ж вдається розраховувати. Якщо вони не чергуються, як в бензолі. Бо тільки тоді молекула має однозначне штрихове відображення по всім мальовничим канонами теорії хімічної будови. Але як тільки на сцену виходить підступний ефект сполучення, речовину не опишеш єдиною формулою. Тут-то і починаються головоломки.

Може бути, здогад Кекуле не такий вже й наївний? І бензол дійсно не має єдиної структури? У 1923 році англійським хіміком Інгольдом була висунута теорія мезомерії. Допускалося, що формули Кекуле відповідають граничним, або збудженим, станам бензолу. Реальний же статус молекули – ні те, ні се. Проміжне буття, яке виникає в результаті взаємодії граничних структур. Мезостан, як назвали його вчені. Було введено уявлення про мезомерію. Мовляв, граничні структури шляхом перерозподілу хімічних зв’язків перевтілюються в реально існуючу мезоструктуру.

Під хитку ідею багатоликих хімічних речовин незабаром був підведений квантово-механічний фундамент. Американський фізико-хімік Полінг запропонував розглядати будову молекул, які не вкладаються в звичайну валентну схему, як результат електронного резонансу. За ідеєю Полінга, справжній стан бензолу можна описати лише сукупністю всіх структурних формул.

Народився метод накладення валентних структур, метод резонансу. Здавалося, нарешті, бідоласі бензолу пощастило! Нехай у бензолу два архітектурних образи. Обидва знадобляться. Варто тільки «накласти» один на інший. Тобто виконати розрахунок для однієї формули, потім для іншої, а результати скласти. Бо наш дволикий виходець зі світу молекул здатний знаходитися в обох своїх станах, а їм властива взаємодія. Кекуле називав його осцилляцією, а Полінг охрестив резонансом.

Головний порок методу резонансу – свавілля у виборі валентних схем. У нафталіну, наприклад, їх сорок дві, хоча молекула його не набагато складніше бензольної (вона вийде, якщо «склеїти» сторонами два шестикутника Кекуле). У антрацену, «клеєного» з трьох молекул бензолу – цілих 429 схем! З цілої галереї портретів треба вибрати кілька штук. Ото ж бо й воно: вибрати! І довільно приписати їм статистичну «вагу» – ймовірність даного стану.

У бензолу колекція електронних станів скромніше. Всього п’ять, якщо до двох формул Кекуле додати ще й три «резонуючі» структури Дьюара.

Причому вибирати не потрібно: у справу йдуть всі п’ятеро. П’ять «станів» – п’ять складових в квантово-хімічному рівнянні. Так що, здавалося б, ні про яке свавілля і мови бути не може. Але ось зіставили результати розрахунку з даними іншого методу – методу молекулярних орбіт. Там приймається, що електрони розпорошені по всій молекулі, а не закріплені у вигляді дублетів в окремих зв’язках. Виявилися мало не десятикратні розбіжності! Таким чином, ні формальний підхід хіміків-квантовиків до бензольних структур, ні спроба їх глибоко проникнути в суть сполучених зв’язків, незважаючи на окремі успіхи, які не вирішували проблему в цілому. Але вчені не відступали.

У 1951 році хімік Г. В. Биков висловив оригінальну ідею. Пі-електронні заряди атомів дорівнюють нулю! «Заряджені» тільки самі зв’язки! Ну добре, а що станеться з нашими балясинами? Щоб розібратися в цьому питанні, доведеться згадати деякі цікаві фізичні «особливості» з’єднань із зв’язаними зв’язками.

Магнітне поле виштовхує пробірку з бензолом, нафталіном, антраценом або іншим ароматичним з’єднанням. В чому справа? Пояснення одне. Під дією магнітного поля електрони починають циркулювати по замкнутим ланцюгам. Такими ланцюгами в органічних сполуках служать молекулярні цикли, подібні бензольним. А всякий замкнутий струм – по суті магніт. Тому-то пробірка і «вистрибує» з магнітного поля.

Але це ще не все. Відомо, що графіт проводить струм. А ось алмаз – ні. Хоча обидва – одна і та ж речовина. Чистий вуглець. Чому? На відміну від алмаза графіт має шарувату будову. Кристалографічне дослідження показало, що шари являють собою «паркет» з шестикутних плиток. І що плитка – вуглецевий кістяк бензолу! Графіт проводить струм вздовж шарів, але не поперек. Саме тому, що електрони легко ковзають по ребрах плиток.

Експериментальні факти підвели вчених до цікавого висновку. Молекули ароматичних сполук мають властивості провідників! Точніше надпровідників. Адже електрони оббігають циклічний ланцюг без будь-якого опору. Втім, не тільки циклічний. Металоподібні і незамкнуті пов’язані системи зв’язків. Скажімо, в цілому ряді полімерів (каучук). Але якщо так, то в молекулах з сполученими зв’язками повинні бути присутніми, як і в кристалічних решітках металів, вільні електрони. Вільні – це значить не прикріплені до окремих зв’язків. І такі електрони є.

Пам’ятайте наші балясини? Тоді ми домалювали до сигма-штриху між С і С другу валентну риску. Суцільну лінію, яка символізувала собою зчеплення пари балясин. А даремно. Треба було намалювати не суцільний риску, а переривчастий пунктир. І протягнути його не тільки над сигма-штрихом подвійного зв’язку, а й над сусідніми сигма-штрихами одиночних зв’язків. Так адже це ж не що інше, як абсурдна формула Тіле! Так, якщо завгодно, це вона. Стара знайома, проте сенс новий. Пунктирний кант – ніякі не половинні валентності. Це символ усуспільнення пі-електронів вздовж всього ланцюга. Кожна балясина взаємодіє з обома сусідами. Утворюється безперервний ланцюжок взаємопов’язаних електронних хмар.

Так поступово уточнювалася модель пі-зв’язків. Квантово-хімічні розрахунки переконливо свідчили, що вона є набагато більшим наближенням до дійсності, ніж колишня. І, тим не менш, труднощі давали про себе знати. Тепер, коли усуспільнена електронна хмара простягнулася суцільно по всьому молекулярному ланцюжку, особливо багато занепокоєння доставляло вченим питання про кордони. Як відокремити одну вуглець-вуглецеву ланка від іншої? Точно визначити, яка частина хмари знаходиться навколо атома, яка – в міжатомному просторі, було практично неможливо. Доводилося виділяти частину хмари, що знаходиться біля атома, в особливу зону. Не дивно, що встановлення демаркаційної лінії супроводжувало свавілля. Це свавілля і приводило до розбіжності результатів при розрахунках різними методами.

Ось тоді-то і була висловлена Г. В. Биковим нова ідея – пі-електронні заряди атомів дорівнюють нулю. Іншими словами, пі-електронну хмару розквартировано цілком в міжатомному просторі. Нове поняття – електронні заряди зв’язків (атомів!) – було запропоновано вважати цілком реальною структурною характеристикою молекули. Необхідність ділити електронну хмару між атомом і зв’язком відпала.

Невизначеність у встановленні меж при подібному розділі – теж. Розрахунки істотно спростилися. Незабаром американські теоретики Рюденберг і Шерр розробили нову модель пі-зв’язків. Пі-електрони рухаються вільно, незалежно один від одного – зовсім інакше, ніж уявляли справу балясини, міцно пригвинчені до місця. Рухаються так, немов течуть – переливаються вузенькими трубочкам, що з’єднує вершини сигма-електронного остова – шестикутника в бензолі. Саме ці трубочки і має на увазі сьогодні хімік-квантовик, який малює по стопах Тіле пунктирну окантовку всередині суцільного бензольного циклу.

Перші ж розрахунки пі-електронних зарядів зв’язків на основі нової моделі увінчалися успіхом. Як щось само собою зрозуміле, хіміки звикли вважати, що сигма-зв’язок утворюється локалізованим ( «пришпиленими» до певного місця) дублетом. Що суцільна риска між атомами символізує собою цілочислений електронний зв’язок. І що не можна розраховувати цей дублет, прийнявши, що електронна хмара розосереджена по всій молекулі.

Найсуворіший і безсторонній суддя в науці – досвід. Тут довелося ставити експеримент теоретичний. Були абсолютно незалежно розраховані сигма-електронні заряди зв’язків в пропані відразу двома вченими, що живуть по різні боки Атлантики. Одному з них, Сандорфі, знадобилося кілька годин роботи обчислювальної машини. Іншому, Бикову – кілька хвилин з олівцем в руках. І ось результат – блискучий збіг!

«Широко поширене уявлення про валентність, згідно з яким хімічний зв’язок утворений цілим числом електронів, сильно похитнувся, навіть в очах його затятих прихильників, – говорив Георгій Володимирович Биков. – Правда, поки що стосовно пі-зв’язків. Що ж стосується сигма-зв’язків, то тут ідея електронних зарядів зв’язків, несумісна з цією виставою, поки, на жаль, «персона нон грата». Тим часом вона може виявитися плідною при відповіді на головне питання, яке сьогодні хвилює хіміків, – який же все-таки механізм взаємного впливу атомів в молекулі? Для мене не буде сюрпризом, якщо нова теорія виявиться підмогою і при вивченні енергетичних характеристик молекул, радикалів, іонів, в електронних теоріях каталізу, в молекулярній спектроскопії.

Зрозуміло, ідея електронних зарядів зв’язків не вирішує єдиним махом всі труднощі квантово-хімічних розрахунків. Це всього-на-всього один з багатьох математичних прийомів, зручних при вирішенні деяких квантово-хімічних задач. Але для такої порівняно мало розробленої області, як квантова хімія, важливий будь-який теоретичний внесок, яким би скромним він не був. І чим більше свіжих сил увіллється в цю дивовижну науку, тим швидше здійсниться революція, на порозі якої стоїть теперішня теоретична хімія.

Наша подорож всередину атома, розпочата в ліфті «Атоміума», добігає кінця. Як не схожа сталева брюссельська громада на описані нами крихітні архітектури! Там сталь – тут органічні речовини-неметали. Там шматок кристала – тут молекули з валентним зв’язком. Там чітка просторова геометрія – тут уявні розпливчасті обриси.

І в той же час між ними є щось спільне. Хоча б характер поведінки електронів в металевому кристалі і пов’язаних зв’язками. А головне схожість в іншому. І там і тут – символ перемоги над таємницями природи! Перемоги, яка дозволить людині відчувати себе всередині молекулярних будівель так само вільно, як і в приміщеннях «Атоміуму».

Автор: Л. Бобров.