Свойства молекулы бензола как замкнутого сверхпроводника

Изложенные выше представления о природе явлений сверхпроводимости и сверхтекучести являются хорошей аналогией, которой можно пользоваться при объяснении и обосновании понятия «ароматичность», которое получает в этом случае удовлетворительную наблюдаемым экспериментальным данным физическую интерпретацию. Как известно, в молекуле бензола осуществляется особый вид химической связи, который представляет собой крайний случай сопряжения. В данной молекуле каждый атом углерода соединён с тремя атомами – двумя атомами углерода и одним атомом водорода. Как и при образовании этилена и других рассмотренных выше молекул, в которых атомы углерода имеют трёх соседей, в данном случае происходит sp² гибридизация. Три гибридные орбитали образуют три σ-связи – две с атомами углерода и одну с атомом водорода, которые расположены в одной плоскости под углами 120⁰ друг по отношению к другу. Этим объясняется плоское строение молекулы бензола, имеющей форму правильного шестиугольника. Орбитали негибридизованных p -электронов в бензоле, так же как и в этилене, расположены перпендикулярно плоскости молекулы. Каждая из орбиталей перекрываются в одинаковой степени как с орбиталью расположенной слева от неё, так и с орбиталью справа. Приближённо можно изобразить распределение плотности π-электронов в виде двух колец, одно из которых расположено над плоскостью молекулы, а другое – под ней, и рассматривать, таким образом, π-связи как делокализованные связи, простирающиеся по всему кольцу. Длина связи C – C равна 1,40 Å, т.е. имеет значение, промежуточное между длинами связей С – С в этане и этилене. Поскольку в молекуле бензола все p -орбилали перекрываются друг с другом, каждый p -электрон в этой молекуле может бывать около любого из атомов углерода. π-Связи в молекуле бензола одинаково связывают все углеродные атомы; при этом невозможно указать, каким атомам принадлежит каждая из трёх пар электронов, образующих π-связи в молекуле бензола, - в данной молекуле π-связи являются делокализованными. Именно благодаря делокализации π-электронов молекула бензола чрезвычайно стабильна. π-Электроны в молекуле бензола передвигаются вдоль кольца углеродных атомов, не встречая сопротивления, подобно тому, как это происходит в некоторых металлах при очень низкой температуре, когда возникает явление сверхпроводимости. Таким образом, бензол представляет собой замкнутый сверхпроводник, в котором все шесть p -орбиталей благодаря одинаковому перекрытию каждой из них с соседними образуют два торроидальных сверхпроводящих «канала», расположенных по обе стороны плоскости ароматического кольца. Электронное облако всех шести p -орбиталей «сливается» в одно общее кольцевое облако, заряд которого беспрепятственно циркулирует по торроидальным орбитальным каналам, обладающим как уже говорилось ранее – свойствами сверхпроводника. В рамках электрон-фононной модели, малоподвижный σ-остов молекулы можно уподобить кристаллической решётке металла, внутри которой движутся электроны. Интересно отметить, что в обоих случаях имеет место делокализация электронов. Как показывает опыт, при наложении электрического или магнитного полей, неупорядоченно движущиеся электроны упорядочиваются, что приводит в свою очередь к такому явлению как квантование магнитного потока, характерному для сверхпроводников. Об этом, в частности, свидетельствует так называемый «идеальный» диамагнетизм молекулы бензола – выталкивание магнитного потока (эффект Мейснера). Как показывают расчёты выполненные в рамках метода Хюккеля – достаточно грубой модели, шесть p_z -электронов располагаются в молекуле бензола на трёх связующих молекулярных орбиталях, образуя, таким образом, три куперовские пары, образующие так называемый сверхпроводящий бозе-конденсат электронов, т.е. образуется гигантская частица, состоящая из первичных бозонов, так называемых куперовских пар. Данное образование характеризуется повышенной устойчивостью – невозможно изменить состояние какого-либо одного из электронов внутри куперовской пары, чтобы не изменить состояние всех участников, партнёров по-связи. Таким образом, понятие «ароматичность» получила в рамках электрон-фононной аналогии хорошую физическую интерпретацию. Здесь мы прибегли к достаточно спорному допущению – мы разделили σ- и π-электроны, предполагая, что σ-остов представляет собой малоподвижную, малополяризуемую конструкцию (каркас). Вопрос этот спорный и не имеет однозначного ответа в связи с имеющими место корреляционными эффектами. Действительно, в рамках электрон-фононной модели уже содержится предпосылка о наличии поляризуемости, смещение частей «каркаса» друг относительно друга, что приводит к рождению фонона. Естественно, что корректность интерпретации определяется задачами, которые ставит перед собой исследователь. В рамках данной модели мы постарались дать физическую интерпретацию понятия «ароматичность» в рамках π-электронного приближения. При всех плюсах, мы не ставили своей целью учёт различного рода корреляционных эффектов – так называемого межэлектронного отталкивания, из-за чего полученные результаты носят преимущественно качественный характер. Основная цель, которая преследовалась – качественная оценка явлениям.