Глазами Монжа-Бертолле

Глава 2 В мире странных архитектур

Все было изумительно просто. «Заглянуть внутрь атома? О мсье, это же ровным счетом ничего не стоит! Входите, пожалуйста, входите!» С этими словами бой нажимал кнопку скоростного лифта — и 20 секунд спустя вы оказывались в ста метрах над землей. Сейчас распахнется дверь и…

Каков он, этот странный мир, который никто и никогда не видел, даже в самый мощный электронный микроскоп? Неужто и впрямь такой, каким его изображают в учебнике физики: что-то вроде солнечной системы в миниатюре: в центре светило-ядро, а вокруг планетки-электроны? Судя по масштабам сооружения, каждая такая планетка уж никак не меньше той, на которой обитал Маленький принц из поэтичной сказки Антуана де Сент-Экзюпери…

Но что это? В раскрытые двери остановившегося подъемника видны не планетки-электроны, кружащиеся в плавном танце около Солнца-ядра, а неподвижные тонконогие кресла, сгрудившиеся вокруг по-современному приземистых столов. Вместо захватывающей картины микромира — прозаическая сутолока шикарного ресторана…

«Если мсье здесь не нравится, он может опуститься по эскалаторам в остальные восемь атомов!»

Атомов… Ох, уж эта реклама! Без привычки ни за что не отличить, где правда, а где вымысел. Чего стоит весь этот комфорт, когда нет даже намека на сокровенные тайны микромира?

Зато вечером разочарованных посетителей «Атомиума», грандиозного инженерного сооружения на Всемирной брюссельской выставке, поджидал сюрприз. Не успевали выцвести последние бледные краски заката, как густую синеву летних сумерек пронзали серебристые лезвия лучей. Скользя по сверкающей поверхности гигантских стальных шаров, они создавали полную иллюзию движения электронов. То было поистине фантастическое зрелище: многократно отраженные световые пятна преображали массивную громаду «Атомиума», делали ее легкой, еще более ажурной, почти призрачной. Нет, пожалуй, даже ради одной этой ночной феерии стоило сооружать грандиозную модель кристаллической решетки железа!

Эффектно, не правда ли? А главное, просто: включил прожектор — и картина электронной структуры как на ладони.

Увы, с реальными атомными «архитектурами» куда сложнее. Электронные постройки микромира, несмотря на изумительное совершенство и гармонию, не отличаются той геометрической четкостью, которую архитектор придал «Атомиуму». А их инженерный расчет — и вовсе не такая простая штука.

Химики хорошо знают, что вокруг ядра атома железа вращаются 26 электронов. А математики помнят: положение каждого электрона в пространстве определяется тремя координатами. Значит, 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. Вроде полупроводника, полимера или — страшно подумать! — живого белка.

Правда, здесь нас подстерегает другой — каверзный, хотя и вполне естественный, — вопрос: а зачем? Зачем, собственно, понадобилось втискивать все разнообразие химических явлений в прокрустово ложе математических формул и уравнений?

Незадолго до второй мировой войны Альберту Эйнштейну был задан вопрос: удастся ли в ближайшие столетия овладеть энергией расщепленного атома?

— О, это совершенно исключено! — убежденно ответил величайший физик XX века.

Эйнштейн не был одинок в своем скептицизме. Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и другие маститые ученые-атомники разделяли его сомнения. Заметьте: то были умы, заложившие математический фундамент новой физики. Теория относительности. Модель атома. Кванты. Теоретические представления, неузнаваемо изменившие классическую картину мира. Но даже сами творцы считали их долгое время бесплодными — разумеется, с точки зрения практического использования в технике. Однако не прошло и десяти лет, как Энрико Ферми запустил первый в мире атомный реактор. Человек оказался властелином гигантских запасов энергии, спрятанных в недрах крупинки вещества.

Все это рассказано не только ради того, чтобы сделать тривиальный вывод: дескать, даже сугубо теоретические изыскания находят неожиданный выход в практику. Любопытно здесь скорее другое. В те годы, когда физики авторитетно разбивали надежды на покорение расщепленного атома, математический аппарат современной физики окончательно сформировался. Во всяком случае, уже родилась квантовая механика. Между тем, когда Бор приступал к расчетам своей модели водородного атома, волновое уравнение Шредингера, лежащее в основе всех квантово-механических расчетов, еще не было выведено. Оно увидело свет лишь через десять лет.

А ведь Бор мог бы засомневаться. Во-первых, ученый и догадываться не мог, что его атомная конструкция может когда-то принести практическую пользу. Во-вторых, он не был убежден и в теоретическом успехе. Тем не менее датский физик не терзался сомнениями: стоит или не стоит? Стоит!

И пусть его теоретический расчет не совпал с экспериментальными данными. В конце концов отрицательный результат — тоже результат! Он недвусмысленно свидетельствует: либо математические приемы несовершенны, либо рассчитываемая модель не без изъяна. В обоих случаях неугомонный физик ни за что не спросит: «А стоит ли?» Он не отступится до тех пор, пока не достигнет желанной цели. И опять бесконечная череда раздумий и экспериментов, успехов и разочарований, сомнений и надежд…

Да, Нильсу Бору стоило идти неторной тропой! Стоило, хотя и не на его долю выпала честь стать создателем квантовой механики в ее современной форме — математической основы всей современной физики. К этому открытию пришли другие ученые. Их было двое: Вернер Гейзенберг и несколько позже Эрвин Шредингер. Первый исходил из экспериментальных данных, второй — из чисто математических соображений. И что самое поразительное — именно математическая неудача привела к новому и важному физическому открытию!

«Шредингер рассказывал мне, — вспоминает известный физик Поль Дирак, — что, впервые выведя свое уравнение, он немедленно применил его для описания поведения электрона в атоме водорода, но результаты вычислений не совпали с опытными данными. Автор, естественно, был глубоко разочарован и несколько месяцев не возвращался к теме исследования. Затем он обнаружил, что если не учитывать некоторых требований теории относительности, то в приближенном виде его теоретические выводы хорошо будут согласованы с экспериментальными результатами. Именно в таком грубом приближении волновое уравнение Шредингера и увидело свет».

Сейчас нам важно одно: математический подход к явлениям природы — идет ли речь об атоме или молекуле, кристалле или клетке — не только правомерен, но и плодотворен.

«Но позвольте, — поспешит возразить читатель, — все приведенные до сих пор аргументы в пользу математизации относились к физике! А как же быть с химией и биологией?»

Физика есть механика молекул, химия есть физика атома, биология есть химия белка… Трудно поверить, что эти слова были произнесены почти столетие назад. Но факт остается фактом: они принадлежат Фридриху Энгельсу. Минула эпоха. Науку и общество не раз потрясали революции. Однако ни одно открытие не поколебало справедливости энгельсовского высказывания. И никому еще не удалось более точно, более лаконично и, если угодно, более афористично определить внутреннюю взаимосвязь между ведущими областями естествознания.

Когда мы говорим: «атом делим», мы имеем в виду два обстоятельства. Во-первых, он состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и так далее. Во-вторых, может распадаться в результате радиоактивного превращения.

Но, помимо всего прочего, атом оказался делимым еще и в третьем смысле! Он поделен на «сферы влияния». Атомное ядро сделали объектом изучения физики. Зато электроны облюбовали прежде всего химики. Оно и понятно: любое химическое превращение связано с перестройкой электронных «архитектур». На более высоких уровнях тоже отмечается тяготение к «местничеству». Физики узурпировали власть над кристаллами, химики — над молекулами. В фокусе внимания биологов по-прежнему находится клетка. Неспроста, видать, на той же Брюссельской выставке 1958 года, где высилась громада «Атомиума», каждой области знаний в одном из павильонов был отведен свой уголок. Разделы так и назывались: «Атомное ядро», «Атом», «Кристалл», «Клетка». Дескать, всяк сверчок знай свой шесток!

Но природа не признает никаких «демаркационных линий»: она едина.

Ядро и электрон — части атома. Атом — часть молекулы. Молекула — часть кристалла или клетки. Клетка — часть организма. Сколько разных архитектурных стилей! А кирпичики — одни и те же.

В одном из сочинений Вольтера мы встречаемся с мудрецом Задигом. Он умел видеть различия между вещами, которые простым смертным казались абсолютно одинаковыми. Гораздо труднее усмотреть то общее, что объединяет совершенно разнородные на первый взгляд предметы и явления.

Древо познания становится все ветвистее, а специализация ученых все уже и уже. Углубление в частные проблемы — вещь хорошая. Именно оно позволяет собрать богатейшую коллекцию экспериментальных наблюдений. А зачастую даже и разработать свой теоретический подход. При этом, случается, ученые, занятые близкими темами исследования, подобно строителям Вавилонской башни, вдруг теряют общий язык. Но такова уж диалектика научного прогресса: через накопление частных фактов человеческая мысль идет к широким обобщениям!

Современная физика, химия и биология подошли к такому рубежу, когда наметился общий подход к самым далеким явлениям, на самых разных уровнях — от элементарных частиц до думающего мозга. Такое взаимопонимание породили физика и ее сестра математика. Значит ли это, что химические или, скажем, биологические процессы не имеют своей «особинки», своей специфики?

Живое и неживое. Существо и вещество… Они составлены из одинаковых «кирпичиков». Но разве не отличить холодную статую от живого оригинала, пусть даже она схожа с ним, как две капли воды?

Рассказывают, в музее мадам Тюссо в Лондоне представлены восковые копии некоторых усопших знаменитостей. Сделанные в натуральный рост, с мерно вздымающейся и опускающейся (от моторчика) грудью, с мигающими ресницами, искусно подкрашенные, они так похожи на живых людей, что смущенные посетители невольно отшатываются: уж не мертвецы ли воскресли?

Нет, это куклы. Правда, воск — скопление органических веществ. Живая ткань — тоже. Тем не менее никому еще не удалось вдохнуть жизнь в мертвую статую подобно мифическому Пигмалиону. Впрочем, что там живой организм! Биохимики не знают еще, как синтезировать простейшие клеточные «детали».

Да, конечно, живое от неживого отделено незримым барьером. И, конечно, биологии свойственны свои закономерности. Взять, к примеру, мозг. Он состоит из 15 миллиардов клеток. Молекулы любой клетки из миллионов атомов. Это ни в коей мере не означает, что нам достаточно проинтегрировать (просуммировать) сведения об атомах, чтобы из кусочков составить мозаичное панно под названием «Мозг».

Шедевр инженерного искусства природы, заключенный в нашей черепной коробке, собран из сравнительно простых деталей. Но в том-то и беда, нет, вернее, в том-то и счастье, что свойства этих элементов неаддитивны! Таким термином математик обозначает нарушение обычного закона сложения. Действительно, мозг не просто арифметическая сумма клеток. Напротив, это сложнейший мир, изумительный своей гармоничной целостностью, намного превосходящий богатством функций любую индивидуальную клетку. Вот почему физика и химия, даже во всеоружии математических идей, не способны подменить науку о жизни — биологию.

Впрочем, они вовсе и не собираются этого делать!

Ясно, что изучение стройматериалов еще не есть архитектура. Тогда, выходит, оправдано существование межей на ниве знаний? Нет, тысячу раз нет! Математики, физики, химики и биологи — это не армии, выведенные на линию огня. Более того: они не просто представители держав, мирно сосуществующих по разные стороны от бдительно охраняемой границы. Это, если так можно выразиться, дружные бригады рабочих, врубающихся в гранит науки. С разных концов, но с единой целью — ради победы разума над незнанием.

На первый взгляд подобное умозаключение выглядит трюизмом — этакой банальной, избитой истиной, затертой, словно старый пятак. Между тем инерция традиций дает себя знать до сих пор, особенно среди биологов. Не умолкают дискуссии: принимать или не принимать физические и математические идеи в арсенал биологических методов? Дескать, «зачем»? Биология запросто обходилась и без них. А поветрие всеобщей математизации — не более как дань скоропреходящей моде. Так ли это?

Предоставим слово видному советскому биофизику профессору Тумерману.

— Как и все новое, — говорит Лев Абрамович, — свежие идеи прокладывают себе путь не без борьбы и сопротивления. Что ж, это естественно. Мне хотелось бы все же разъяснить одно недоразумение. Достаточно произнести слова «квантово-механическая биология», как в воображении людей (особенно тех, кто далек от физики) всплывают страницы, испещренные двухэтажными курсивами дифференциальных уравнений, змееподобными зигзагами интегралов, многоярусными колонками цифр — другими словами, головоломными расчетами, сложнейшими формулами, абстрактной символикой. Как тут не отшатнуться приверженцу классической биологии! А напрасно. К величайшему сожалению для физиков-теоретиков, но, правду сказать, к тайной радости для нас, физиков-экспериментаторов, пока что рано говорить о тотальной квантово-механической математизации биохимии и биологии.

Действительно, точному квантово-механическому расчету поддается пока лишь весьма немноголюдная «компания» биологических систем — раз, два и обчелся. Не мозг. Не клетка. Даже не белковая молекула. Всего-навсего отдельные звенья биологически важных полимеров. Как говорится, не густо. Причем речь идет об упрощенных полуколичественных оценках.

Но разве можно по первым скромным удачам судить о перспективах новой науки? Тем более что точные математические подсчеты вовсе не исчерпывают содержания, вкладываемого в понятие «квантово-механическая биология»!

Важны не только и не столько квантово-механические расчеты, хотя их роль и не следует преуменьшать. Поиск интимнейших молекулярных механизмов, которые управляют всеми движениями «души» и тела, — вот на что нацелены усилия первопроходцев неизведанной научной целины. Ибо трижды прав Энгельс: биология есть химия белка…

Вглядитесь в то неописуемое выражение страдания, которое родосские скульпторы Агесандр, Афинодор и Полидор придали облику Лаокоона, изнемогающего в схватке с питоном. Вглядитесь и вдумайтесь: и безысходное отчаяние Лаокоона, и тупая жестокость питона, и, наконец, вдохновение скульпторов, создавших бессмертное изваяние, — все это работа сложной химической лаборатории, которую являет собой живой организм.

Перефразируя известное изречение Сеченова, можно сказать: смеется ли ребенок при виде игрушки, улыбается ли Гарибальди, когда его гонят за излишнюю любовь к родине, дрожит ли девушка при первой мысли о любви, создает ли Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге, — за всем этим стоят удивительные химические метаморфозы.

Положим, вы любите сладкое. Однако сколько бы пирожных или конфет вы ни съедали зараз, концентрация сахара у вас в крови будет оставаться на неизменном уровне — около миллиграмма в миллилитре. И вот почему. Железы внутренней секреции выделяют специальное вещество — инсулин. Это гормон. Иными словами, катализатор. Он превращает избыток сахара, вернее, ускоряет его превращение в нерастворимый гликоген, оседающий в печени. Допустим теперь, что вы намеренно ограничиваете себя в сладостях и в продуктах, содержащих крахмал. Значит ли это, что содержание сахара в вашем организме упадет? Ничуть. Другие железы выбрасывают в кровь адреналин. Он катализирует обратный процесс — переход гликогена в растворимый сахар.

Такая химическая система обратной связи способна компенсировать, уравновешивать внешние воздействия, поддерживая то или иное качество нашего организма в пределах нормы. Даже при большой мышечной или нервной нагрузке.

Например, возбужденные болью нервные клетки усиленно потребляют сахар и соединения фосфора, выбрасывая в кровь соли кальция. Выделение химического вещества адреналина, вызванное болью, страхом, гневом, яростью, подталкивает работу печени, поставляющей организму биохимическое «топливо» — сахар. Количество сахара в крови увеличивается, кровь приливает к сердцу, легким, центральной нервной системе и конечностям, отхлынув от органов брюшной полости.

Если помните, пушкинского Онегина одолевал недуг, «подобный английскому сплину, короче, русская хандра». Иногда это состояние именуют так: тоска зеленая. А она, оказывается, вовсе не зеленая. Адреналиновая!

Действительный член Академии медицинских наук Петр Кузьмич Анохин обнаружил, что все отрицательные эмоции человека — тоска, страх, горе — связаны с выбросом в кровь большого количества адреналина. Разрушить избыток адреналина в некоторых мозговых клетках значило бы предотвратить тоску или страх.

Недавно было установлено, что группы подкорковых клеток, где зарождаются те или иные психические состояния, отличаются по химическому составу. Иными словами, существует химия радости и печали, трусости и отваги.

Химия наших мыслей и чувств… А если говорить строже? Это и есть тонкие механизмы межатомного взаимодействия, которые ждут, когда их опишут четким и емким математическим языком квантовой механики!

Несколько лет назад на прилавках появилась скромная книжка Альберта Сент-Дьердьи под малопривлекательным заглавием «Биоэнергетика». Увлекательно написанная, изобилующая оригинальными идеями, она завершалась утверждением автора: «Я не сомневаюсь в том, что наш век будет свидетелем глубокой революции в биологии, становления квантовомеханической биохимии, построенной над зданием биохимии лукрецианской».

Когда Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» пытался втиснуть в певучий гекзаметр античные представления об атоме, химикам, вернее алхимикам, было известно не более дюжины простых веществ, которые мы сейчас называем элементами. Минули два тысячелетия. Появился периодический закон. Число заполненных клеток менделеевской таблицы перевалило за восьмой десяток, а представления о неделимых кирпичиках материи оставались теми же, что и в эпоху Лукреция.

Правда, уже давно сформировался химический язык букв и черточек. Введенная Александром Михайловичем Бутлеровым символика стала одним из величайших достижений человеческого гения. Она просто и наглядно демонстрировала пространственную структуру молекул, ее разрушение и созидание в ходе химических реакций. Без нее был просто немыслим тот гигантский прогресс органического синтеза, которым заслуженно гордились ученые XIX века.

Но за латинскими символами элементов химикам рисовались неделимые атомы Лукреция. «Лукрецианская» концепция довлела и над биохимией, начавшей расцветать еще в третьей четверти прошлого столетия. А сегодня, когда миф о неделимости атома развеян? Можно ли в наши дни изъясняться на «лукрецианском» лексиконе?

Можно. Более того: необходимо. Но недостаточно!

Когда математическая задача без особых усилий решается карандашом на клочке обычной писчей бумаги, незачем прибегать к дорогостоящим услугам быстродействующей электронно-счетной машины. Когда можно запросто обойтись лаконичной химической формулой, громоздкое физико-математическое «украшательство» ни к чему.

Темпы развития «лукрецианской» химии и биологии не снижаются. Напротив, чуть ли не каждый год мы слышим о новых блистательных достижениях этих маститых, но вечно молодых наук. А вот их юные отпрыски — квантовая химия и квантовая биология — не достигли еще зрелости и законченности своих классических предшественниц. Они еще не определили ясно своего содержания, своих подходов к проблемам. Из их достижений составился бы довольно куцый реестр. И тем не менее уже отчетливо наметились рубежи, за которыми старая химия и биология бессильны. Ясен круг вопросов, на которые невозможно ответить, не перешагнув в новое измерение — в мир явлений электронных. В странный мир, где утратил свою силу кодекс классической физики, где царят законы физики квантовой.

Что же такое квантовая химия и биология? Почему они появились на свет? Что нового внесли в классический язык букв и черточек? Какие горизонты распахнули перед человечеством?

…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, что придают молекулам полимеров необычные 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, обрисовывавших стороны плоской фигуры. Но именно эта деталь и смутила вскоре химиков.

Да, химиков, ибо автором шестиугольной конструкции был не зодчий. Правда, Фридрих Август Кекуле, профессор Гентского университета, смолоду и в самом деле собирался посвятить себя архитектуре. Но, к счастью, 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.

Шедевром? Искусства? Но к чему этот выспренний «штиль»? Любой старшеклассник изобразит вам пространственную схему дюжины куда более сложных соединений! И даже досконально объяснит, почему и куда должны быть направлены черточки в любой сложной структуре. Объяснит, жонглируя понятиями «валентность», «электронная конфигурация», «сопряженные связи».

Порой нам и невдомек, что многие азбучные истины, которые любой школьник затвердит в один присест по четким абзацам учебника, в свое время оказались величайшим научным откровением, принятым после длительных споров. Сто лет назад таким откровением стала теория химического строения. Она была изложена казанским профессором Бутлеровым всего лишь за четыре года до появления на свет формулы Кекуле. Формулы, которая вполне могла и не появиться на свет, если бы Кекуле не пришел к тем же взглядам, что и Бутлеров. Ибо в те времена оживленно дискутировался даже такой ясный для нас вопрос: а можно ли вообще изобразить строение вещества единой формулой?

Мы знаем: водород одновалентен. Иными словами, может вступать 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 C и столькими же атомами H. Простенькая геометрическая комбинация! А в те годы, когда Кекуле принялся возводить свою знаменитую архитектуру, валентный штрих был непроверенным нововведением.

Поначалу строительство шло гладко. Как говорится, без сучка и задоринки. 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 ординарные 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!

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!

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. Но атом натрия не отличается скупостью. Напротив, ему легко распроститься со своим единственным валентным электроном, чтобы превратиться в однозарядный положительный ион Na⁺. Атом хлора готов воспользоваться любезностью партнера и дополнить коллекцию своих валентных электронов до восьми. Приютив изгнанника, он станет отрицательным ионом Cl^–. Между разноименными ионами возникнет сила притяжения. Молекула готова: Na⁺Cl^–. Теряя электрон, атом натрия приобретает напарника.

Зато уж если бы примеру натрия захотел последовать кальций, ему для компании понадобились бы целых два атома хлора. И вовсе не потому, что он общительней (химик скажет: активнее), чем натрий. Напротив, кальций с большим трудом расстается с валентными электронами и, стало быть, с меньшей легкостью вступает в химические союзы. Но уж коли расстается, то именно с электронами, а не электроном: их у него пара. И оба он готов отдать своему напарнику. А тому такая щедрость вовсе ни к чему.

Атом хлора способен приютить на своей внешней орбите лишь одного-единственного «чужеземца». Ибо только в этом случае он обретет устойчивую электронную конфигурацию инертного газа с октетом (восьмеркой) электронов на внешней орбите. Вот почему другой электрон кальция вынужден искать себе пристанища у второго атома хлора. Впрочем, лишившись обоих валентных электронов, атом кальция тоже обзаведется устойчивым октетом на своей внешней орбите. И натрия тоже. И вообще любого элемента, способного связывать свою судьбу с другим элементом электровалентными узами.

Этот гипотетический набросок был предложен немецким ученым Косселем. Правда, при всей своей простоте и стройности теория электровалентной связи была бессильна объяснить, как возникают электронные постройки при сближении одинаковых или близких по свойствам атомов. Молекулы Cl₂, H₂, N₂, а также почти всех органических соединений оставались за бортом новой теории. Бутлеровская черточка еще не заговорила математически строгим языком новой физики.

Смысл валентного штриха прояснила гипотеза ковалентной связи Льюиса: это пара взаимодействующих электронов. По одному от каждого из атомов-партнеров, объединившихся в молекулу. В структурные формулы вместо штриха Льюис стал вводить две точки — знак дублета (двух обобществленных электронов). Простейший пример ковалентной связи — молекула водорода H : H. И более сложный:

Льюисовское двоеточие означало, разумеется, не просто сумму двух электронов. Оно подразумевало, что каждый электрон, вращающийся около ядра, подобно спутнику вокруг Земли, вступив в союз со своим напарником, вынужден изменить прежнюю траекторию. Ибо его теперь притягивает еще и вторая планета — ядро атома-соседа.

У углерода шесть спутников-электронов. И две орбиты. На нижней — два спутника, на верхней — четыре. Но только наружные электроны участвуют в образовании химической связи. Ковалентный, как и электровалентный, союз устойчив, если сумма внешних электронов (своих и чужих) составляет октет. Вот почему углерод четырехвалентен: его верхней орбите до полного комплекта не хватает ровно четырех электронов. Их можно позаимствовать у водорода. Или углерода. Четыре валентных штриха, разбегающихся от каждой вершины в бензольном шестиугольнике, — это и есть четыре дублета, дающих вкупе необходимый октет.

Так физика ответила на самый глубокий вопрос, который перед ней когда-либо ставила химия. И тем не менее число и мера не торопились проникать в мир невидимых архитектур. Первая же попытка рассчитать молекулярную систему с ковалентной связью потерпела фиаско. А ведь речь шла о простейшей системе — молекуле водорода!

Представьте себе обыкновенный глобус. На полюсах размещены водородные ядра. На экваторе — пара электронов-антиподов, которые догоняют друг друга в бесконечном круговороте. Эта модель, построенная Бором, учитывала новейшие для того времени представления об атоме. Но ее количественный расчет не совпадал с опытными данными. Модель оказалась неверной.

Какой конфуз! Неужто льюисовская теория неверна? Неужто подвели новые, с иголочки, идеи, взятые напрокат у физики? Лишь значительно позже выяснилось, почему электроны упрямо саботировали законы ньютоновской механики.

Они просто не хотели быть примитивными упругими шариками, какими их воображал себе конструктор планетарной модели атома Резерфорд. Но тогда каковы же они в действительности, эти мельчайшие атомы электричества, изображавшиеся обыкновенными точками в льюисовских дублетах и октетах?

Ответ пришел из парижской лаборатории на улице Байрона, где работал Луи де Бройль. Откровение ученого оказалось ошеломляющим. Частица-волна! Математическое выражение этого беспрецедентного в истории науки двуличия выглядело довольно непритязательно: λ = h/mv («ламбда» равна «аш», деленному на «эм» «вэ»). Но какую бурю оно вызвало в среде ученых!

Движению любого тела, обладающего массой и скоростью, де Бройль приписывал волновой характер. Например, теннисный мяч, отброшенный ракеткой со скоростью 25 метров в секунду, — тоже волны. Можно даже подсчитать их длину (λ); она составит 10^–32 сантиметра. Это в миллиарды миллиардов раз меньше размеров атомного ядра. Понятно, почему в макромире, в царстве массивных тел, двойственность «волны-частицы» совершенно незаметна и не играет практически никакой роли. Зато в микромире…

Для электрона, вращающегося по околоядерной орбите со скоростью тысяча километров в секунду, подсчет дает длину волны, равную одной стомиллионной доле сантиметра. Это означает, что пучок электронов, несущихся с такой скоростью, должен вести себя подобно рентгеновым лучам. И действительно, эксперименты подтвердили двуличие электрона.

С одной стороны, у него давно уже были вскрыты все признаки крохотной крупицы материи. Скажем, вполне определенный вес. C другой — обнаружилось такое поведение при прохождении электронного пучка через кристалл, которое свойственно невесомому электромагнитному излучению!

Традиционные мерки, оказавшиеся не впору странному кусочку вещества-излучения, отбросила квантовая механика.

Весной 1926 года в Париж на имя де Бройля пришел пакет из Цюриха. В нем содержалось изложение волновой механики Эрвина Шредингера.

А незадолго до этого молодой геттингенский ученый Вернер Гейзенберг разработал свою матричную механику. Глубокое раздумье над дуализмом волны-частицы привело ученых к созданию особого математического аппарата для описания микрособытий, к которым неприложимы формулы ньютоновской физики.

Авторы в своих построениях опирались на разные, если не сказать несовместимые, посылки. Один хотел утвердить в физике волны и непрерывность, другой — частицы и прерывность. Оба оперировали несхожими математическими средствами. Но противоположные по духу и по методам волновое уравнение Шредингера и матричное исчисление Гейзенберга давали одинаковое приближение к реальности. Трудно было отдать предпочтение какой-нибудь из идей, хотя каждый автор отстаивал правомерность лишь своей механики. Но очень скоро новые эксперименты, подтвердившие волнообразность электронов, доказали безуспешность одностороннего подхода к одной из самых удивительных загадок микромира — дуализму (двойственности) корпускул-волн. Так две механики слились в одну, которую позже стали именовать просто квантовой.

Уже нельзя было мыслить себе электрон, как крошечную Луну вполне определенных размеров и формы, обращающуюся по геометрически четкой трассе вокруг маленькой Земли — атомного ядра. Орбита стала напоминать расплывчатое шаровидное облако, по которому «размазан» электрон-волна.

В 1927 году немецкие физики Вальтер Гейтлер и Фриц Лондон, исходя из новых представлений, оценили энергию связи и межъядерное расстояние для молекулы водорода. Теоретический расчет полностью совпал с экспериментальными данными!

Это означало больше, чем триумф квантовой механики. Это было рождение квантовой химии. Ведь молекула водорода — простейшее химическое соединение. Не просто сумма двух атомов, а сложная система, где ядра и электроны спаяны валентной связью в целостный коллектив со всеми присущими ему особенностями.

Древнее пробирное искусство получило невиданный доселе инструмент для исследования тончайших механизмов межатомного взаимодействия. Валентный штрих заговорил языком математики, волнуя химиков неожиданными откровениями, а подчас и сюрпризами.

Квантово-механический расчет вскрыл важный признак ковалентной связи — антипараллельность электронных спинов.

«Спин» в переводе с английского означает «кручение». Речь идет о вращении, но уже не вокруг ядра, а вокруг собственной оси при движении по орбите. Спин придает электрону свойства крошечного магнитика. Именно это обстоятельство не было известно Шредингеру, когда он рассчитывал атом водорода. Потому-то и появилось расхождение между расчетными данными и результатами опытов. Так математика привела к открытию в физике — подобно тому как в свое время Леверье, исходя из чисто математических расчетов, предсказал существование планеты Нептун.

Если спины параллельны, электроны «отпихиваются» друг от друга. Оказалось, что внутри дублета оба «веретена» направлены и противоположные стороны. Стало быть, электроны-магниты притягиваются. Такую пару электронов, у которых магнитные силы взаимно скомпенсированы, обычно изображают в вице двух параллельных стрелок с остриями, направленными в противоположные стороны.

Правда, электроны могут группироваться попарно и не вступая в химическую связь. Конечно, электрону, который сиротливо витает вокруг водородного ядра, можно объединиться лишь с электроном другого атома. Зато у следующего по порядку члена менделеевского семейства электронов ровно два. Они спарены. Их спины антипараллельны. Этим и объясняется химическая «леность» солнечного элемента, ибо атом способен образовать ровно столько валентных связей, сколько у него неспаренных электронов. У лития, прописанного в клетке № 3, на один электрон больше. Два спарены, третий лишний. И он «ходит бобылем». Потому-то литий и одновалентен. А вот у бериллия (№ 4) уже две электронные пары. У бора — две пары плюс один холостяк. У углерода? 3 пары? Нет, тоже две! И два «бобыля». Выходит, углерод двухвалентен? Но разве еще со времен Бутлерова и Кекуле не установлено твердо, что валентность углерода равна четырем?

Установлено. И она именно такова. Весь фокус в том, что атом может переходить из основного, пассивного состояния в возбужденное, активное. Активация атома бесцеремонно разделяет пары. Спины бывших напарников становятся параллельными. Разлученным электронам ничего не остается делать, как искать себе партнеров в другом атоме.

Однако если все напарники расстанутся, то углерод должен быть шестивалентным! Ведь у него шесть электронов. Почему же он присоединяет лишь четыре атома водорода? Почему в природе нет соединения CH₆?

Дело тут вот в чем. Непосредственное участие в образовании химических связей принимают не все, а лишь наружные электроны. А на внешней электронной оболочке у углерода именно четыре электрона, у бора три, у бериллия два. Запрятанная внутри пара остается безучастной. Вот почему углерод четырехвалентен.

Когда разговор шел о наружных и внутренних электронах, имелись в виду различные оболочки атома. Эти электронные «одежки» чем-то напоминают деревянных матрешек, вставленных одна в другую. У углерода и прочих элементов второго периода менделеевской таблицы их две. В центре самой маленькой — ядро. Номер «матрешки» — считая от маленькой к самой большой — это главное квантовое число. Удвоенный квадрат его 2n² определяет максимальное количество электронов, которым дозволено разместиться на одной оболочке. На первой у всех без исключения атомов не может находиться больше двух электронов (2·1²). На второй — не больше восьми (2·2²). На третьей — восемнадцати (2·3²). И так далее. А между «матрешками» — запретная зона. Там вообще не место электронам. Так распорядилась природа. Так записано и в кодексе квантовой механики.

Зато каждая оболочка многослойна. Электронам дано право выбрать себе местопребывание на любом из слоев. Но при определенном условии (его называют принципом Паули): они должны различаться хотя бы одним квантовым числом. А таких чисел четыре. Первое — наше n. Одинаковое для всех слоев оболочки. Оно характеризует удаленность электрона от ядра, а стало быть, и его энергию. Второе, не менее важное, — направленность спина. Два остальных не так существенны в нашем рассказе. Однако и они играют свою роль в распределении электронов по слоям. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что один слой не способен вместить больше двух электронов. Причем их спины должны быть обязательно антипараллельными. Именно так возникают электронные «парочки» у атомов. И зачастую остаются неразлучными. Даже в тех случаях, когда атом готовится вступить в химическую связь. Даже несмотря на то, что для любого из напарников сыскался бы уголок в одном из слоев. И нередко случается так: у одного атома в запасе вакантное место в одном из слоев, у другого — неподеленная пара электронов.

Обычно при образовании ковалентного союза оба атома выставляют по электрону. Однако допустим и такой вариант: первый атом размещает свою неподеленную пару на чужой «жилплощади» — в свободном слое второго. Примером служит ион аммония NH₄⁺, с которым имел дело каждый, кому доводилось нюхать нашатырный спирт NH₄OH. Здесь атом азота — донор (по-латыни «дарящий»). Он поставляет готовый дублет водородному ядру (протону). А тот спокойно забирает, оправдывая название «акцептора» («берущий»):

Голубоватые язычки пламени в преждевременно закрытой топке над раскаленными угольями — кто их не видел? Так при недостатке кислорода образуется угарный газ. У атома C в невозбужденном состоянии два неспаренных электрона и один незанятый слой. Атом O не располагает свободными помещениями. Зато, помимо двух электронов-«холостяков», у него готовая электронная пара, которую он может передать «соседу в чуждые пределы».

Электронный дублет кислорода становится «слугой двух господ».

Вот почему в молекуле CO скорее тройная связь, нежели двойная:

(знаки «плюс» и «минус» отмечают некоторое неравноправие в распределении зарядов между атомами; по-видимому, электроны предпочитают находиться поближе к углероду).

А молекула кислорода? Структурная формула описывает ее так, словно она содержит двойную связь: O = O. Будь это действительно так, в ней все электроны должны быть соединены попарно. Если же спины внутри каждой пары взаимно уравновешены, вещество диамагнитно.

А вот молекулы кислорода отзываются на магнитное поле иначе, чем диамагнетики. Выходит, не все магнитные силы в них скомпенсированы? Да, молекулы O₂ явно парамагнитны. И неспроста: в молекуле кислорода два электрона не спарены. Так что формула O = O тоже неверна! И атомы кислорода соединены тройной связью: O = O. Три штриха — это три дублета: один образован электронами разных атомов О, два остальных предоставлены атомами друг другу в готовом виде.

Сказанное лишний раз иллюстрирует простую мысль: негоже химику игнорировать квантово-механические представления. Иначе он намеренно обрекает себя на слепоту. Ибо значок «буква — штрих — буква», несмотря на удобство в применении, остается всего лишь символом. И зачастую даже неточным.

Здесь говорилось главным образом об электронном спине. Казалось бы, пустяк — вращение крохотного сгусточка материи, даром что штопорообразное. Ан нет, именно эта характеристика электрона лежит в основе многих замечательных химических и физических явлений. А ведь все началось с математической ошибки, если, конечно, можно так назвать первую неудачу Шредингера точно описать атом водорода с помощью его волнового уравнения — знаменитой пси-функции.

Итак, квантовая механика вручила химии незатейливый, но полный глубокого смысла символ — две параллельные стрелки. Если острия направлены в одну сторону, электроны отталкиваются, в разные — притягиваются. Так вот оно что: наконец-то выяснилась причина межатомного взаимодействия!

Ничуть не бывало. Математический расчет показал, что для прочного межатомного союза требуется в миллионы раз большая энергия, чем та, которую может обеспечить взаимное влечение пары электронов-магнитиков.

В миллионы раз! Откуда берется она, эта чудовищная энергия? Как ее измерить? И какую роль тогда играет спин?

Целый фейерверк вопросов! А все они сводятся к одному: какова же, собственно, природа химической связи? В чем ее «особинка»?

Немало сил действует в мире атомов и молекул. Внутриядерные. Внутриатомные. Межатомные. Внутримолекулярные. Межмолекулярные. Четкая градация, не так ли? Увы, на деле все оказывается куда сложнее.

Начнем с классического примера межмолекулярного взаимодействия.

Почему так дребезжит крышка на чайнике с кипящей водой? Ясное дело: ее подбрасывают кверху пары воды. Тот же пар толкает поршень паровоза или лопасти турбин. Огромна механическая энергия, которую мы высвобождаем нагреванием! Очевидно, эти силы равны, хотя и противоположны по знаку, силам, соединяющим молекулы воды в жидкость.

Если при конденсации пара выделяется 0,539 килокалории на грамм, то столько же нужно затратить на испарение грамма воды. Ни больше, ни меньше. Так в единицах энергии оценивают силы межмолекулярного сцепления. И химическая связь тоже характеризуется определенной энергией. Ее тоже можно измерять в килокалориях на грамм или грамм-молекулу вещества. И тоже можно разрушить нагреванием. Чем же тогда отличаются межмолекулярные силы от внутримолекулярных?

На первый взгляд кажется, будто ответить на этот вопрос не составляет труда. Дескать, молекула в целом нейтральна. Валентные силы в ней насыщены. А раз так, то со своими соседями она будет взаимодействовать без образования химической связи. Но это только на первый взгляд. Многие электрически нейтральные вещества способны присоединять воду, аммиак, окись углерода и даже… самих себя!

Если подвергнуть давлению двуокись азота, произойдет коллективизация. Газ NO₂ превратится в жидкость N₂O₄, или (NO₂)₂. Это широко известный пример димеризации. А знаком ли вам такой димер: (AlCl₃)₂? Своим рождением он обязан донорно-акцепторной связи, которая перебрасывает валентный мостик между двумя нейтральными молекулами. Со стороны атома хлора в построении мостика участвует неподеленная электронная пара. Со стороны алюминия — свободное место в одном из слоев оболочки:

Образование мостиковых соединений не всегда ограничивается стадией димера. Возможны тримеры, скажем (BeCl₂)₃. И даже длинные цепочки неорганических полимеров (BeCl₂)_n, (PdCl₂)_n.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что обычные брутто-формулы, которыми химики пользуются со времен Берцелиуса, зачастую не отражают истинного положения вещей. И то, что ускользало внимания химии «лукрецианской», квантовая химия вывела на чистую воду. В том числе и хитрости самой воды. Той самой, с которой мы начали разбор «дела о правомочиях связей» — межмолекулярной и внутримолекулярной.

В свое время плачевная судьба трансатлантического лайнера «Титаник» потрясла людское воображение. Действительно, катастрофа могла миновать беспечный корабль, не будь этого проклятого тумана и прятавшегося за ним айсберга. Но в том-то и дело, что поносить туман и айсберг здесь не за что! Они возникли без всякого злого умысла. Наоборот, они педантично исполняли законы, предписанные природой.

И туман и айсберг — вода. Молекулы воды объединяются в капельки благодаря силам межмолекулярного сцепления. И лед плавает поверх воды неспроста — здесь тоже действуют непреложные физические законы. Какие же?

Опять-таки межмолекулярное взаимодействие!

Плотность у воды выше, чем у льда. Это долго оставалось загадкой. И лишь представления квантовой физики рассеяли сомнение ученых.

Между молекулами воды возникают водородные связи-мостики. Каждый атом водорода, входящий в состав H₂O, — «слуга двух господ». Он связан не только с атомом кислорода своей собственной молекулы (внутримолекулярное взаимодействие). Его властно притягивает и «чужой» кислородный атом — тот, что в соседней молекуле (межмолекулярное взаимодействие). Так возникает сетчатая пространственная структура.

Замерзание воды — это изменение ажурной сетки из водородных мостиков. Рыхлая структура становится механически более прочной. Но молекулы в ней упакованы менее плотно. Потому-то айсберги и плавают по морям. Нагревание «встряхивает» жесткую структуру льда. В пустоты между узлами кристаллической решетки льда попадает все больше молекул воды. «Кружево» становится мягче, зато плотнее, а «дырки» в нем — меньше. Когда же вода испаряется, «кружево» расползается.

Образованию водородного мостика способствует опять-таки донорно-акцепторное взаимодействие. Обычно атом водорода предоставляет электронам второго «хозяина» свою свободную «жилплощадь».

Благодаря водородной связи многие молекулы соединяются в димеры и полимеры. Газообразный фтористый водород образует кольца, отдаленно напоминающие бензол (H₆F₆). Поперечные мостики между нейтральными молекулами могут появиться и в спиртах, и в органических кислотах, и в белках, жирах, углеводах. Стоит ли продолжать? И без того ясно: взаимоотношения между нейтральными молекулами зачастую сопряжены с чисто химическими связями.

Межмолекулярные взаимоотношения… Не здесь ли надо искать ключ к знаменитой загадке неаддитивности: почему свойства клетки — не просто сумма свойств составляющих ее молекул? Ведь клеточные структуры существуют не сами по себе. Их окружает водная среда. Они общаются и друг с другом.

Вы никогда не задумывались над вопросом: почему склеивание, паяние или сварка способны скрепить самые несхожие материалы? Почему капля, прежде чем сорваться с зонтика, некоторое время висит на краю вашей матерчатой крыши, а с перьев водоплавающей птицы стекает, как с гуся вода? Почему масляные краски не отваливаются от холста?

И здесь не обошлось без вмешательства межмолекулярных сил!

Прочность материалов обусловлена также сцеплением молекул. Треснула ли бетонная стена, разорвался ли капроновый чулок, лопнул ли мыльный пузырь — значит, не выдюжили силы межмолекулярного взаимодействия. Они огромны, эти силы. Нить из лавсана сечением в один квадратный миллиметр выдерживает человека. А стеклянное волокно позволяет доводить нагрузку до 300 килограммов на каждый квадратный миллиметр!

А внутримолекулярное взаимодействие? Сильнее оно или слабее? Ну, разумеется, сильнее: иначе мир был бы ввергнут в пучину хаоса. Представляете, что бы получилось, если бы мы поставили чайник на огонь, а у нас вместо струйки пара повалил кислород и водород? Отрывающиеся от поверхности молекулы воды раздирали бы на части друг друга, рвались бы химические связи. Нельзя было бы ни купаться, ни просто умываться без опасения, что вместе с капельками, приставшими к коже, мы стряхнем осколки органических молекул, из которых состоит наше тело.

Да, внутримолекулярные силы в десятки раз превышают межмолекулярные. Теплота, которая требуется для разделения всех молекул в наперстке воды, составляет около одной килокалории. А для разделения того же количества H₂O на атомы O и H надо не менее семи. Причем здесь не учтены тепловые затраты на нагревание до температуры разложения!

Каким же образом тепло разрушает валентные связи? И тепло ли?

Во время Международного геофизического года у нас вышел в свет сборник переводов «Планета Земля». Один из авторов — американский геофизик Дж. П. Койпер строил в своей статье догадки: что-то будет с нашей планетой через миллиарды лет?

Сейчас три четверти земной поверхности покрыты водой. Для космического наблюдателя то, что мы называем «планетой Земля», выглядит скорее как «планета Вода». Но у «планеты Вода» есть реальные шансы превратиться в настоящую, без всяких оговорок, «планету Земля»!

Представьте себе гигантские океанические бассейны, утратившие миллиарды тонн воды; небо без единого облачка над бесплодными континентами; иссякшие родники и высохшие русла рек, словно шрамы, пересекающие скорбный лик Земли; огромные облака всепроникающей пыли, окутывающей планету удушливым покрывалом; наконец, знойное днем и леденящее ночью дыхание ветра. Печальная обитель смерти и опустошения, мало похожая на нашу зеленую и нарядную планету…

Может ли так быть на самом деле? Судите сами.

Оказывается, причиной катастрофы может стать расщепление молекул воды. Да, именно такой процесс протекает в верхних слоях земной атмосферы.

Ультрафиолетовые лучи Солнца. Невесомые, незримые, электромагнитные волны! А действуют на молекулы, как удар молотка. И, словно искры от удара, по сторонам сыплются осколки. Идет фотолиз воды: H₂O = H + OH. Более тяжелый гидроксил остается в атмосфере. А водород ускользает в космос. Так печально кончают свое существование водяные пары, поднявшиеся в заоблачные выси из рек и морей. Земной океан мелеет.

Это рассказано вовсе не для того, чтобы лишний раз напомнить: вот-де как важно изучать химическую связь методами квантовой механики! Мол, пустячная с виду реакция — расщепление воды, — а имеет грандиозное, так сказать космическое, значение!

Нет, нас сейчас интересует другое. Каким образом световые лучи разрывают валентную связь?

Молекула водорода напоминает гантельку. Атомы-шары скреплены упругой «пружиной» — валентной связью. Шары то растягивают, то сжимают пружину. C повышением температуры амплитуда колебаний растет. В какой-то момент пружина лопается. Происходит диссоциация. Но почему все-таки лопается? Что ее понуждает к этому?

Кванты лучистой энергии. К ним особенно чувствительны электроны. Еще бы: ведь электрон — тоже волна! Атомные ядра весьма восприимчивы к бомбардировке квантами. Да и сама молекула в целом.

Поглощенная веществом энергия солнечных лучей распределяется далеко не поровну. На вращение молекулы расходуется немного. Не более одной килокалории на каждую грамм-молекулу вещества. На усиление колебательного движения атомов идет несколько больше — от 1,5 до 6 килокалорий. Но все это вместе взятое в десятки раз меньше энергии, поглощаемой электронами!

Конечно, разным электронам требуется и разная энергия. Если они движутся во внутренних частях атома, для их возбуждения нужны тысячи и даже миллионы килокалорий. Такой энергией обладают рентгеновы лучи.

А их почти нет в составе солнечного спектра. Менее мощны фотоны ультрафиолетовой радиации. Они могут дать сотню-другую килокалорий на грамм-молекулу вещества. Конечно, этого недостаточно, чтобы расшатать устойчивую электронную конфигурацию внутренних оболочек молекулы. Зато наружные электроны весьма чувствительны к облучению ультрафиолетом.

Ощутив толчок, электрон возбуждается и перепрыгивает на более высокую оболочку-орбиту. Он может через некоторое время возвратиться, высветив то же количество энергии, которое получил. Такие прыжки туда и обратно происходят все время, пока мы освещаем какое-нибудь вещество. Именно поглощение света является причиной окраски химического соединения. Если вещество бесцветно, значит оно испускает не воспринимаемый глазом ультрафиолетовый или инфракрасный свет.

Каждый электрон способен поглощать и испускать энергию лишь строго отмеренными дозами — квантами. Чем ближе к этому определенному значению энергия фотонов, тем сильнее возбуждается электрон. Если энергия фотона меньше, чем нужно для возбуждения электрона, активации не произойдет. Если же фотоны слишком энергичны, они тоже действуют слабо. Фотон не может расходоваться по частям. Это же квант — неделимая порция энергии! А электрон не способен принять больше энергии, чем требуется для активации. Ведь ему отведены вполне определенные уровни-слои в электронных оболочках. Значит, пальба из пушек по воробьям в микромире столь же неэффективна, как из рогатки по слонам. Наибольшее действие оказывают лишь те фотоны, калибр которых в точности соответствует масштабам мишени.

Электрон начинает колебаться, перескакивая вверх и вниз с орбиты на орбиту, в такт с ударами фотонов. В беспокойной обстановке такого «артобстрела» спаренным электронам трудно удержаться вместе, сохранив антипараллельность спинов. Но как только спины окажутся одинаковыми, электроны-магнитики тут же начнут отталкиваться друг от друга. И хотя энергия самого отталкивания не так уж велика, в электронном облаке, окружающем атомные ядра в молекуле, происходят глубокие изменения. Молекула разваливается на куски.

Этому помогают и колебания атомных ядер. Они то сжимают, то растягивают пружину химической связи. И тем сильнее, чем интенсивней инфракрасное излучение, чем выше температура. Электронное облако молекулы пульсирует в такт с колебаниями ядер. Наконец в многоатомной молекуле взаимодействуют между собой и «пружины» соседних валентных связей.

Ультрафиолетовое излучение Солнца наиболее опасно для связей O—H в молекуле H₂O. До поверхности Земли оно почти не доходит, поглощаясь атмосферой. Здесь вода чувствует себя спокойно (если, конечно, ее молекулы не подвергаются сильному нагреванию). Зато на больших высотах она не выносит обстрела и разрушается.

Итак, началом конца валентной связи оказывается расторжение союза между двумя электронами-магнитиками. Обретая параллельные спины, электроны отчуждаются. Но за этой враждой стоят куда более могущественные силы. Прежде всего — электростатическое отталкивание ядер. И самих электронов (ведь они тоже одноименные заряды!). Наконец, увеличение кинетической энергии электронов при перескоке на более высокую орбиту. Когда все это вместе взятое превысит силы внутримолекулярного сцепления, разрыв валентной связи неминуем.

Что же противостоит в молекуле силам, подрывающим ее изнутри?

Не притяжение электронов-магнитиков — мы это давно уже установили. Быть может, кулоновское взаимодействие между электронами и ядрами разных атомов? Но почему тогда так необходима антипараллельность электронных спинов, чтобы связать атомы валентными узами? Ведь тяготение электронов-магнитиков прямо-таки мизерно! Во всяком случае, ни в какое сравнение не идет с их электростатическим отталкиванием.

Атом — равновесная система. Молекула тоже. Мы выяснили, что разрушение внутримолекулярной связи требует затраты энергии. Стало быть, ее образование должно сопровождаться высвобождением того же количества энергии. И действительно: энергетическое состояние молекулы выгоднее, чем у двух разрозненных атомов. Но чтобы сблизившиеся атомы могли прореагировать, перейти из одного равновесного состояния в другое, их надо слегка подтолкнуть.

Эту миссию и выполняют антипараллельные спины.

Можно ли щелчком проделать дырку в заборе? Разумеется, нет; это хорошо знали наши пращуры, когда долбили стены осажденной крепости массивным тараном. Но если нажать на курок пистолета, легко прострелить не только доски, а и стальную броню.

Еще пример. Можете ли вы, слегка подтолкнув своего товарища, заставить его прыгнуть на добрых три десятка метров? Разумеется, да, если он наденет лыжи и взберется на трамплин. Слабенькое усилие — а какой эффект!

Энергия спинового взаимодействия тоже мала. Она не способна скрепить межатомный союз печатью нерасторжимости. Антипараллельные «веретенца» — слишком слабые крючочки, чтобы удерживать атомы в молекуле. Однако сыграть роль спускового крючка они в состоянии.

Капелькам ртути достаточно соприкоснуться, чтобы они слились. Вот именно: соприкоснуться. Пока их разделяет прослойка воздуха, пусть даже наитончайшая, они существуют сами по себе. Подтолкнуть их друг к другу ничего не стоит. Во всяком случае, для этого, когда они рядом, требуется гораздо меньше усилий, чем разделить их и раздвинуть на ту же дистанцию, когда они уже слились. Но как бы мизерна ни была энергия толчка в сравнении с энергией слияния, без нее не обойтись.

Нечто подобное, по-видимому, происходит и когда сближаются два атома. Именно взаимное влечение магнитиков-спинов высвобождает, словно джинна из бутылки, огромную энергию химической связи. Взаимное же отталкивание, наоборот, еще туже завинчивает пробку на «бутылке с джинном».

Когда сближаются два водородных атома, начинается схватка противоборствующих сил. Антипараллельность спинов примагничивает электроны обоих атомов. Но ведь электроны — не что иное, как одноименные электрические заряды! Естественно, между ними возникают силы кулоновского отталкивания. И не только между ними. Ядра обоих атомов (протоны) тоже заряжены одноименно. А раз так, то и они отнюдь не настроены к сближению. Однако у них заряд со знаком «плюс». Стало быть, протон первого атома будет притягивать электрон второго. И наоборот.

Чем-то закончится эта драматическая сцена?

Мирным финалом. Как бы ни бушевали страсти в борьбе микротитанов, чья-то неодолимая сила влечет навстречу друг другу ядра, которые упираются, словно поссорившиеся Иван Иванович и Иван Никифорович. Влечет до тех пор, пока ее не погасит взаимное отталкивание протонов. Достигнув этой дистанции, ядра больше не сближаются. Но и не удаляются одно от другого. Атомы обмениваются электронами. Наступает равновесие сил. Так возникает молекула.

А энергия связи? Что ее порождает?

Взаимодействие электронов сопровождается так называемым расщеплением уровней энергии. У независимых атомов было по одному самому низкому уровню. Но как только электроны вступили во взаимодействие, у сблизившихся атомов в соответствии с законами квантовой механики образуется по два энергетических уровня. Один лежит выше, другой ниже прежнего уровня свободного атома. Первый отведен электронам с параллельными спинами, второй с антипараллельными. На повышенном уровне энергия системы больше, чем у свободных атомов. Соединение в молекулу энергетически невыгодно. Потому оно и не происходит. Если же электроны очутятся на более низком уровне, система получит энергетический выигрыш, станет более устойчивой. Но в том-то и дело, что опуститься туда дано лишь электронам с антипараллельными спинами!

Так благодаря антипараллельности спинов высвобождается энергия химической связи. Она равна разности двух энергий, одна из которых соответствует уровню свободного атома, другая — уровню молекулы.

Математический расчет свидетельствует, что вклад кулоновского тяготения в энергию связи довольно скромен: что-то около десятой доли. Что же придает силы воображаемому «джинну» химической связи, который столь властно утихомирил разбушевавшиеся стихии микромира?

Обменное взаимодействие электронов.

Эпитет «воображаемый» применительно к сказочному джинну вполне уместен. Облик порой доброго, порой злого, но всегда могучего «духа» не раз вставал перед нами со страниц восточных сказок. К сожалению, обменное взаимодействие, скрывающееся за этой метафорой, вообразить значительно труднее. И постигнуть секрет его могущества невозможно, не разобравшись в квантово-механических премудростях того, как движутся электроны вокруг ядер в молекуле водорода.

Соединяясь в молекулу, атомы водорода обмениваются электронами. Конечно, это не совсем точно: электроны не марки и не мнения, чтобы можно было ими обменяться. Но от термина «обменное взаимодействие» нам не уйти, вот почему приходится предостерегать от житейского его толкования. Тем более что волновой характер движения делает электроны неразличимыми. Перемешавшиеся электронные облачка образуют нечто вроде целостной «волны», стягивающей соседние ядра в единую молекулу. Такое облако-волна хоть и расплывчато, однако все же и не бесформенно.

Обрисовать его контуры помогли опять же квантово-химические вычисления. Обнаружилось, что оно отдаленно напоминает скорлупу арахиса, узниками которой взамен двух орешков мы представляем себе атомные ядра.

Употреблять словосочетание «электронное облако» без оговорок рискованно, хотя оно прочно укоренилось в научном «жаргоне». Термин стал общеупотребительным только из-за краткости. В действительности же приходится иметь дело с облаком вероятности. Столь же эфемерным, столь же призрачным, как и размытый полупрозрачный диск включенного вентилятора. Или мелькающих спиц велосипедного колеса.

Присмотритесь к такому «облаку». Вы заметите участки большей и меньшей «плотности», «сгущения» и «разрежения». Между тем если стрелять в такой диск из пистолета, то часть пуль наверняка проскочит беспрепятственно. Угодить в спицу или лопасть не просто: все будет зависеть от слепого случая. Конечно, там, где облако гуще (оттого, что лопасти шире, а спицы соседствуют друг с другом), вероятность поразить цель выше. Но все равно вероятность остается вероятностью: то ли попадешь, то ли нет.

Нечто подобное встречается и в микромире. Чем темнее участок размытого электронного облака, изображенного художником на странице 172, тем больше тут плотность вероятности. Тем скорее мы обнаружим здесь разыскиваемый электрон. Что же касается самой плотности вероятности, то она вовсе не плод воображения художника. Ее точно вычисляют с помощью шредингеровской пси-функции.

Квантовая механика нарисовала электронные облака самых причудливых, самых фантастических форм, какие только могли пригрезиться художнику, нет, вернее, скульптору, ибо эти облака трехмерны, объемны. Правда, электронный ореол вокруг молекулы водорода имеет довольно простые очертания — он чем-то напоминает размытый «арахисовый орех», по крайней мере в области наибольшего сгущения. Но если у обычного ореха мы без труда можем обозначить границу, отделяющую скорлупу от окружающего воздуха, то «размывам» электронного облака такая геометрическая четкость отнюдь несвойственна.

Всмотритесь в рисунок «арахисового ореха». Вы заметите, что в зоне между ядрами краска положена гуще. Квантово-механический расчет обнаружил, что здесь электронная плотность повышена. Возможность такого сгущения появляется сразу, как только нейтральные атомы водорода подходят друг к другу достаточно близко. Это и есть главный итог обменного взаимодействия. Концентрируясь в межъядерном пространстве, электронное облако как бы гасит силы взаимного отталкивания между протонами, заставляя ядра сближаться до тех пор, пока не наступит равновесие сил. Зато, если электронные спины сблизившихся атомов параллельны, плотность облака между ядрами понижена, а посередине и вовсе равна нулю. В этом случае кулоновское отталкивание ядер преобладает над силами обменного взаимодействия и электростатического притяжения. Химическая связь образоваться не может.

Итак, антипараллельность спинов, как говорили древние римляне, — «кондицио сине ква нон» (условие, без которого нет) ковалентной связи. Бутлеровский валентный штрих — это и есть пара электронов с противоположно ориентированными спинами. Спаренные веретенца-магнитики безучастны к другим электронам. Химик скажет: валентная связь насыщена. Именно из-за насыщаемости химических сил молекулы имеют вполне определенный состав: например, H₂, но не H₃, H₄ или H₁₀₀; NH₃, но не NH₅ или NH₈.

Электронное облако, окутывающее молекулу водорода, замечательно изумительной симметрией. Так всегда получается, если внутри «арахисового ореха» заключены одинаковые ядра: скажем, хлора в молекуле хлора Cl₂ или брома в Br₂. Сливаясь в это двуединое облако, электроны становятся неразличимыми. Возможности встретить их в поле любого ядра равновероятны. При таком валентном союзе, основанном на паритетных началах, молекула неполярна — у нее отсутствует дипольный момент. Иное дело, когда атомы разные. К примеру, в молекуле хлористого водорода HCl. Здесь уже вероятность встретить связующие электроны в поле водородного ядра меньше, чем в поле ядра атома Cl. Поэтому средняя электронная «плотность» поблизости от атома Cl выше. Облако, подобно флюсу, оттопыривается с одного бока. И тут как тут объявляется постоянный дипольный момент.

Асимметрия электронного облака описывается квантовой химией в терминах «эффективных зарядов». Имеются в виду суммарные заряды атомов в молекуле окрест их ядер.

Правда, если говорить строго, электронное облако — не политическая карта. Его невозможно четко расчленить пограничными столбами. Тем не менее понятие «эффективный заряд» зачастую удобно, хотя и условно. По крайней мере сразу бросается в глаза различие в полярности молекул. Нулевая полярность свойственна только молекулам H₂, Cl₂ и им подобным. У других она больше или меньше. Сравните, к примеру, хлористый водород и поваренную соль: H^+0,17Cl^–0,17 и Na^+0,8Cl^–0,8. Цифры наверху рядом с символами элементов — доли единичного электронного заряда. Нетрудно увидеть, что у молекулы нашей соли электронный «флюс» вздулся куда сильнее. В подобных предельных случаях полярная связь называется ионной.

Да, именно ионной — той самой, которую интуитивно предвосхитил еще Берцелиус. Той, для которой Коссель создал свою модель, описанную несколькими страницами раньше. Между ней и моделью Льюиса лежала прямо-таки пропасть. А на квантово-механическую поверку выходит, что обе они ничуть не противоречат друг другу! Перед нами просто два крайних случая одного явления — электронного содружества атомов. Такого содружества, где нет и в помине шариков-электронов, перекочевавших целиком и полностью от одного атома к другому. Деление на «своих» и «чужих» в соответствии с косселевской «бухгалтерией» бессмысленно. Ибо атомные ядра даже при ярко выраженной ионной связи объемлет единое и неделимое облако-волна.

Правда, полное разделение зарядов не исключено. Оно происходит, если ионы очутятся в свободном состоянии, например в растворе. Вздумай, однако, катион Na⁺¹ и анион Cl^–1 вступить в валентную связь, как эффективные заряды из целой единицы тотчас станут дробными: Na^+0,8, Cl^–0,8. Причина — волновые свойства электрона. Сколь бы малой ни была вероятность обнаружить электрон вблизи атома Na, она все же отлична от нуля.

Еще большие возмущения электронных орбит характерны для многозарядных ионов. Помните, как строго было расписано местопребывание электронов в косселевском «гроссбухе» для молекулы CaCl₂? Увы, на деле все обстоит гораздо сложнее. Ca⁺² в ионной молекуле обретается отнюдь не в виде «чистого» двухзарядного катиона с электронной конфигурацией инертного газа. Особенно, если его соседом по молекуле окажется тоже многозарядный анион, положим О^–2. Электронная архитектура молекулы CaO выглядит вовсе не так, как рисовала ее бесхитростная геометрия Косселя. И если вам попадутся формулы:

Ca⁺²S^–2, Ca⁺²O^–2, Tl⁺⁴C^–4, (Al⁺³)₂(O^–3)₃, (N⁺²)₂(О^–2)₅, B⁺³(F^–1)₃ и тому подобные — знайте: перед вами галерея призраков. Это наследники классических электростатических представлений, окончательно скомпрометировавших себя в глазах ученых. Понятно, почему количественные операции косселевской бухгалтерии с подобными фикциями напоминали куплю-продажу гоголевских мертвых душ.

Электрон-шарик навсегда изгнан из владений микромира электроном-волной. И лишь для пущей наглядности остались традиционные символы электронов: шарики, кружочки, точечки, которые со времен Резерфорда пошли гулять по страницам учебников и научно-популярных издании. Особой беды в этом нет: так проще понимать и объяснять. Беда в другом: учебники подчас и не желают идти дальше нечленораздельных намеков на сложную и противоречивую правду микромира. С идеями квантовой химии не знакомят не только в школе, но и во многих вузах. Так не прививается вкус к исследованиям на переднем крае одной из самых революционных наук нашего времени. Так воспитываются все новые и новые приверженцы «лукрецианской» химии и биологии. Но так продолжаться далее не может. Ибо химия не хочет жить вчерашним днем. Не может. Не имеет права. Нашествие странного мира непривычных закономерностей неотвратимо. Пусть же скорее грядет она, эпоха странного мира в химии!

Итак, физическая картина валентной черточки — «арахисовый орех»? В случае молекулы водорода — да. В случае ординарной C—C связи — да. А в случае двойной — нет. Вернее, наполовину нет.

Потому что одна из связей все же именно такая, как в молекуле H—H. Ее обозначают греческой буквой «сигма». Зато вторая — так называемая пи-связь — выглядит совершенно иначе. Как?

Изобразите на листке бумаги арахисовый орех. У вас получится плоский рисунок, похожий на восьмерку. Это сигма-электронное облако. Поставьте жирную точку в центре каждой из округлостей «восьмерки». Это ядра атомов углерода. Соединим их прямой. Перед нами чертеж сигма-связи. А теперь вообразите, что наша прямая линия — палка, на обоих концах которой прикреплено по двухлопастному пропеллеру. Нарисуем и их. Получили две восьмерки. Каждая восьмерка с виду плоская. Но так же, как и рисунок арахисового ореха, она изображает пространственную фигуру. Что-то вроде толстой балясины с тонкой перемычкой посередине. «Балясина» — это пи-электронное облако. «Перемычка» — место, где находится атом углерода. А где же пи-связь? Округлости обеих балясин так толсты, что входят друг в друга (вспомните, что перед нами не крепкие деревяшки, а эфемерные воображаемые облачка!). Подобное двойное зацепление и есть грубый набросок пи-связи. Теперь мы можем соединить точки, изображающие атомы C, еще и второй линией.

Картина двойной углерод-углеродной связи готова.

Когда ученые разобрались в премудростях ординарной и двойной ковалентной связи, настал черед и бензола. Хватит, решили ученые, поморочил голову, пора и честь знать. Бензол просветили рентгеновыми лучами. Расшифровали структуру «скелета». И что же? Оказалось, что молекула бензола — правильный плоский шестиугольник.

Трехмерная призматическая архитектура сразу же отпала. Все шесть связей в бензоле одинаковой длины. Отпали структуры с перекрестными штрихами и формула Дьюара. Каждая углерод-углеродная связь короче обычной ординарной, но длиннее двойной. И все они равноценны. Так что и конструкция Кекуле отпадает! Что же остается? Формула Тиле. Но ведь половинные валентности с точки зрения бутлеровской теории — абсурд! По какой же формуле прикажете рассчитывать бензол? Было над чем поломать голову.

В тридцатых годах нашего столетия появился метод валентных схем. Он восходил к классической работе Гейтлера и Лондона. Валентные схемы очень похожи на структурные формулы, которые появились в обиходе химиков около ста лет назад. В них символом «буква — черточка — буква» означены спаренные электроны. Вроде бы просто, лаконично и наглядно. Однако очень скоро эта кажущаяся простота ввергла математиков в омут головоломок.

Молекулы с сопряженными связями первые подняли черное знамя анархии. Самые интересные, пожалуй, с точки зрения химиков и биологов, они, видите ли, не желали подчиняться квантово-механическому кодексу. И уж, конечно, в первых рядах мятежников очутился наш бензол.

Непокорный эффект сопряжения снова заставил физиков призадуматься.

А может, догадка Кекуле не так уж и наивна? Вдруг бензол действительно не имеет единой структуры?

Еще в 1923 году английским химиком Ингольдом была выдвинута теория мезомерии. Допускалось, что формулы Кекуле отвечают предельным, или возбужденным, состояниям бензола. Реальный же статус молекулы — ни то ни се. Промежуточное бытие, которое возникает в результате взаимодействия предельных структур. Мезосостояние, как назвали его ученые. И хотя еще сам Кекуле подозревал, что любая из его формул — кривое зеркало призрака, было введено представление о мезомерии. Дескать, предельные структуры путем перераспределения химических связей перевоплощаются в реально существующую мезоструктуру.

Под зыбкую идею многоликих химических фантомов вскоре был подведен квантово-механический фундамент.

Американский физико-химик Полинг предложил рассматривать строение молекул, не укладывающихся в обычную валентную схему, как результат электронного резонанса.

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».

Валентные штрихи — слишком грубый образ, чтобы передать все тонкости того, как распределена электронная плотность. Известны соединения, которые вообще не могут быть описаны одними буквами и черточками. Приходится вводить архитектурные украшения в виде знаков «плюс» или «минус», чтобы хоть как-то отразить распределение зарядов.

Да и сам метод расчета, довольно искусственный, формальный, изобретенный лишь для удобства математиков, трудно назвать абсолютно безупречным. Главный его изъян — произвол в выборе валентных схем. У нафталина, например, их тридцать четыре, хотя молекула его ненамного сложнее бензольной (она получится, если «склеить» сторонами два шестиугольника Кекуле). У антрацена, «склеенного» из трех молекул бензола, — целых 429 схем! Из огромной галереи портретов надо выбрать (в целях упрощения расчетов) несколько штук. То-то и оно: выбрать! И произвольно приписать им «статистический вес» — вероятность данного состояния.

Ситуация получилась парадоксальной. С одной стороны, химическая графика существует ради наглядности. С другой — любая валентная схема, взятая отдельно, явно недостаточна, даром что наглядна. Чтобы передать все хитрости молекулярной структуры, приходится чертить десятки, если не сотни, штриховых изображений. Тут уж от наглядности не остается и следа.

У бензола коллекция электронных состояний поскромнее. Всего пять, если к двум формулам Кекуле присовокупить еще и три «резонирующие» структуры Дьюара:

Причем выбирать не нужно: в дело идут все. Пять «состояний» — пять слагаемых в квантово-химическом уравнении. Так что, казалось бы, ни о каком произволе и речи быть не может. Но вот сопоставили результаты расчета с данными другого метода. Метода молекулярных орбит. Там принимается, что электроны распылены по всей молекуле, а не закреплены в виде балясин в отдельных связях. При вычислении эффективных зарядов обнаружились чуть ли не десятикратные расхождения! Таким образом, ни формальный подход химиков-квантовиков к бутлеровским структурам, ни попытка их глубоко проникнуть в сущность валентного штриха, несмотря на отдельные успехи, не решали проблему в целом. Сопряженная связь оказалась крепким бастионом даже для тяжелой математической артиллерии. Но ученые не отступают перед трудностями.

Если математика спотыкается в расчетах, значит физическая модель не без изъяна. Значит, надо уточнять электронную архитектуру молекулы.

В 1951 году советский химик Георгий Владимирович Быков высказал оригинальную идею. Пи-электронные заряды атомов равны нулю! Ну хорошо, а что станет с нашими балясинами? Прежде чем разобраться в этом вопросе, придется вспомнить некоторые интересные физические особенности соединений с сопряженными связями.

Магнитное поле выталкивает пробирку с бензолом, нафталином, антраценом или другим ароматическим соединением. В чем дело? Объяснение одно. Под действием магнитного поля электроны начинают циркулировать по замкнутым цепям. Такими цепями в органических соединениях служат молекулярные циклы, подобные бензольному. А всякий замкнутый ток — по существу магнит. Потому-то пробирка и «выпрыгивает» из магнитного поля.

Но это еще не все. Известно, что графит проводит ток. А вот алмаз нет. Хотя оба — одно и то же вещество. Чистый углерод. Почему? В отличие от алмаза графит имеет слоистое строение. Кристаллографическое исследование показало, что слои представляют собой «паркет», выложенный шестиугольными плитками. И что плитка — углеродный остов бензола! Графит проводит ток вдоль слоев гораздо лучше, чем поперек. Именно потому, что электроны легко скользят по ребрам плиток.

Экспериментальные факты подвели ученых к любопытному заключению. Молекулы ароматических соединений, помещенных в магнитное поле, обладают свойствами проводников! Точнее, сверхпроводников. Ведь электроны обегают циклическую цепь без всякого сопротивления.

Но если так, то в молекулах с сопряженными связями должны присутствовать, как и в кристаллических решетках металлов, свободные электроны. Свободные — это значит не прикрепленные к отдельным связям! И такие электроны есть.

Помните наши балясины? Тогда мы пририсовали к сигма-штриху между C и C вторую валентную черточку. Сплошную линию, которая символизировала собой сцепление пары балясин. А зря. Надо было нарисовать не сплошную черточку, а прерывистый пунктир. И протянуть его не только над сигма-штрихом двойной связи, но и над соседними сигма-штрихами одиночных связей. Так ведь это же не что иное, как формула Тиле! Да, если угодно, это она. Старая знакомая, однако смысл новый. Пунктирный кант — никакие не половинные валентности. Это символ обобществления пи-электронов вдоль всей цепи. Каждая балясина взаимодействует с обоими соседями. Образуется непрерывная цепочка взаимосвязанных электронных облаков.

Так постепенно уточнялась модель пи-связей. Квантово-химические расчеты убедительно свидетельствовали, что она является гораздо большим приближением к действительности, чем прежняя. И тем не менее трудности давали о себе знать.

Теперь, когда обобществленное электронное облако протянулось сплошь по всей молекулярной цепочке, особенно много беспокойства доставлял ученым вопрос о границах. Как отделить одно углерод-углеродное звено от другого? Точно определить, какая часть облака находится окрест атома, какая — в межатомном пространстве, было практически невозможно. Приходилось выделять часть облака, находящегося около атома, в особую зону. Не мудрено, что установлению демаркационной линии сопутствовал произвол. Этот произвол и приводил к расхождению результатов при расчетах разными методами.

Вот тогда-то и была высказана Быковым новая идея — пи-электронные заряды атомов равны нулю. Иными словами, пи-электронное облако расквартировано целиком в межатомном пространстве. Новое понятие — электронные заряды связей — было предложено считать вполне реальной структурной характеристикой молекулы.

Необходимость делить электронное облако между атомом и связью отпала. Неопределенность в установлении границ при подобном разделе — тоже. Расчеты существенно упростились.

Вскоре американские теоретики Рюденберг и Шерр разработали новую модель пи-связей. Модель одномерного электронного газа. В поле положительно заряженного сигма-электронного остова движутся пи-электроны. Движутся свободно, независимо друг от друга — совершенно иначе, чем это позволяли представить балясины, накрепко привинченные к месту. Движутся так, словно текут, переливаются по узеньким трубочкам, соединяющим вершины сигма-электронного остова — шестиугольника в бензоле. Трубочки одномерны. Они имеют только длину, тогда как балясины — объемные фигуры. Именно эти трубочки и подразумевает сегодня химик-квантовик, рисующий по стопам Тиле пунктирную окантовку внутри сплошного бензольного цикла.

Первые же расчеты пи-электронных зарядов связей на основе новой модели увенчались успехом. А начиная с 1956 года Быков пользуется в своих работах новым понятием о сигма-электронных зарядах связей! Это еще в большей степени, чем понятие о пи-электронном заряде, противоречит традиционным взглядам.

Как нечто само собой разумеющееся, химики привыкли считать, что сигма-связь образуется локализованным (пришпиленным к определенному месту) дублетом. Что сплошная черточка между атомами символизирует собой целочисленную электронную связь. И нельзя рассчитывать эту связь, приняв, что электронное облако рассредоточено по всей молекуле.

Самый строгий и нелицеприятный судья в науке — опыт. Здесь пришлось ставить эксперимент теоретический. Были совершенно независимо рассчитаны сигма-электронные заряды связей в пропане (у него отсутствуют пи-связи) сразу двумя учеными, живущими по разные стороны Атлантики. Одному из них, Сандорфи, понадобилось несколько часов работы вычислительной машины. Другому, Быкову, — несколько минут с карандашом в руках. И вот результат — блестящее совпадение!

Так контроль со стороны математики позволяет уточнять в деталях строение молекул. Химики теперь не просто рисуют бутлеровские черточки. Они строят их физические модели. И проверяют правильность своих допущений математическими средствами.

Проверяют для того, чтобы лучше постигнуть таинства химических явлений. И на этом пути они достигли многого. Но еще больше предстоит сделать впереди.

В наше время выявлены основные физические законы, которые необходимы для построения строгих количественных теорий чуть ли не во всех областях химии. К сожалению, точное применение этих законов ограничено: чересчур громоздки математические выкладки.

Однако нынешние ученые по-современному нетерпеливы. Дожидаться, когда будет разработан более совершенный математический аппарат? Нет! В конце концов наряду с количественными выводами квантовая химия способна дать и качественные.

Разумеется, стремление получить наиточнейшие количественные результаты вполне закономерно. Это, если угодно, дань традициям квантовой механики. И действительно: когда системы содержат не более 3–4 электронов, расчетные данные хорошо согласуются с экспериментально измеренными. В случае молекул с 5–20 электронами приходится звать на выручку вычислительную технику. Для систем с числом электронов более 20 точные расчеты уже неосуществимы. Но так ли уж они необходимы?

В последние годы на электронно-счетных машинах были с успехом проделаны очень громоздкие вычисления. При расчете молекулы H₂ волновая функция содержала более полусотни членов, атома He — 1078 членов. Точность вычислений превысила точность эксперимента. Между тем еще в 1933 году ученые Джемс и Кулидж безо всяких быстродействующих электронных машин, с карандашом в руках, расчислили волновую функцию с 13 членами. Они получили энергию связи 4,7198 электроновольта. Это составило 99,5 процента от опытного значения (4,7451 эв). Точность тоже вполне достаточная. Зато достигнута она более простыми средствами! Этот пример заставит призадуматься даже самого пылкого энтузиаста машинной математики в химии. В одном из лучших современных расчетов молекулы N₂ (14 электронов) было получено такое значение энергии связи: 27 больших калорий на моль. В действительности же 225. Вот какое расхождение! Чуть ли не десятикратное. Что попишешь: не всегда удается точный расчет. Уж слишком сложна физическая картина многоэлектронных молекул.

А зачем вязнуть в трясине бесконечных математических сложностей? Имеет ли смысл проверять лишний раз правильность законов квантовой механики на новых и новых примерах?

Конечно, диапазон от 1 до 20 электронов не так уж мал. Здесь уйма увлекательных загадок. И точное их решение весьма соблазнительно. Однако еще больше интересного остается за бортом этого интервала, где о точности не может быть покамест и речи. Но отказываться от точности — это не значит отрекаться от квантовой механики! Порой вполне разумно ограничиться приближенным решением проблемы. Правда, такой подход приводит лишь к качественным и полуколичественным оценкам. Зато он приложим к системам любой сложности — от бензола до белка.

Многие почему-то считают, что математика — это манипуляции с цифрами. Отнюдь не всегда! Математические критерии и логика не утрачивают силы при качественном анализе явлений. Иногда достаточно уловить общий характер закономерности, границы ее применимости, степень вероятности событий, их статистическое распределение.

Конечно, не каждому понятию дашь безупречное математическое истолкование. А блюстители математической строгости, увлекаясь формализмом, волей-неволей игнорируют чисто химические особенности явлений. Ответ на вопрос «почему» обычно не только проще, но подчас и важнее ответа на вопрос «сколько».

«Не такой требуется математик, — писал Михаил Васильевич Ломоносов, — который только в трудных выкладках искусен, но который, в изобретениях и доказательствах привыкнув к математической строгости, в натуре сокровенную правду точным и непоползновенным порядком вывесть умеет. Бесполезны тому очи, кто желает видеть внутренность вещи, лишаясь рук к отверстию оной. Бесполезны тому руки, кто к рассмотрению открытых вещей очей не имеет. Химия руками, математика очами физическими по справедливости назваться может».

Наше путешествие в микромир, начатое в лифте «Атомиума», подходит к концу. Как не похожа стальная брюссельская громада на описанные нами крохотные архитектуры! Там сталь — здесь органические вещества — неметаллы. Там кусок кристалла — здесь молекулы с валентной связью. Там четкая пространственная геометрия — здесь воображаемые расплывчатые очертания.

И в то же время между ними есть нечто общее. Хотя бы характер поведения электронов в металлическом кристалле и сопряженных связях. А главное сходство в другом. И там и здесь — символ победы над твоими тайнами, Природа! Победы, которая позволит человеку чувствовать себя внутри молекулярных построек столь же свободно, как и в комфортабельных помещениях «Атомиума».