Для зображення складних органічних молекул хіміки винайшли витончені діаграми. Ми хочемо тепер поговорити про одну з найцікавіших молекул -- про молекулу бензолу, діаграма якої наведена на фіг. 8.6. До неї входять по шість дуже симетрично розташованих атомів вуглецю й водню. Кожна рисочка на діаграмі являє собою пару електронів з протилежними спінами, які танцюють танець ковалентного зв'язку. Кожен атом водню вводить у гру по одному електрону, а кожен атом вуглецю — по чотири, утворюючи загалом систему з 30 електронів, що беруть участь у грі. (У вуглеці ближче до ядра є ще два електрони, які утворюють першу, або K, оболонку. Вони не показані, оскільки їхній зв'язок настільки тісний, що якоїсь помітної ваги для ковалентного зв'язку вони не мають.) Отже, кожна рисочка на рисунку являє собою зв'язок, або пару електронів, а подвійні зв'язки означають, що між парами атомів вуглецю, які чергуються, є по дві пари електронів.З молекулою бензолу пов'язана одна загадка. Можна підрахувати, яка енергія повинна знадобитися на утворення цієї хімічної сполуки, бо хіміки виміряли енергії різних сполук, що включають частини кільця; наприклад, вивчаючи етилен, вони дізналися енергію подвійного зв'язку і т. д. Тому ми можемо підрахувати повну енергію, яку мала б молекула бензолу. Однак справжня енергія бензольного кільця набагато менша, ніж виходить за таким підрахунком: кільце зв'язане куди міцніше, ніж належить звичайній системі «ненасичених подвійних зв'язків». Як правило, система подвійних зв'язків, що не утворює подібного кільця, досить легко піддається хімічним атакам: її енергія порівняно висока, і, додаючи зайві атоми водню, подвійні зв'язки вдається легко розривати. Не так у бензолу — його кільце майже незруйновне: зламати його нелегко. Іншими словами, енергія бензолу набагато нижча, ніж дає підрахунок за картиною подвійних зв'язків.
Є ще й інша загадка. Нехай ми замінили два сусідні атоми водню атомами брому, утворюючи орто-дибромбензол. Це можна зробити двома способами. Атоми брому можуть бути на протилежних кінцях подвійного зв'язку (фіг. 8.7, а) або можуть бути на протилежних кінцях одинарного зв'язку (фіг. 8.7, б). Можна було б подумати, що мають існувати дві різні форми орто-дибромбензолу, але це не так. Є лише одна така речовина.
Тепер ми збираємося розв'язати ці загадки, і ви, можливо, вже здогадалися як: звісно, річ у тім, що «основний стан» бензольного кільця насправді є системою з двома станами. Можна уявити собі, що зв'язки в бензолі можуть бути розташовані двоїстим чином, як показано на фіг. 8.8. Ви скажете: «Але ж це одне й те саме; у них має бути однакова енергія». Звичайно, має бути. Саме тому їх і треба аналізувати як систему з двома станами. Кожен стан являє собою іншу конфігурацію всієї сукупності електронів, і існує певна амплітуда A того, що все плетиво перемкнеться з одного розташування на інше, є якийсь шанс, що електрони зможуть змінити фігуру в танці.Як ми бачили, ця ймовірність перескоку призводить до змішаного стану, енергія якого нижча, ніж вийшло б, якби ми розрахували кожну зі схем, представлених на фіг. 8.8, окремо. Натомість існують два стаціонарні стани: один з енергією вищою, інший — нижчою за очікуване значення. Отже, насправді істинний нормальний стан бензолу (з найнижчою енергією) не є жодною з можливостей, представлених на фіг. 8.8, а має амплітуду 1/√ 2 перебування в кожному з намальованих станів. Це єдиний стан, який і варто брати до уваги в хімії бензолу за нормальних температур. До речі, існує і верхній стан; ми маємо право так казати, бо бензол сильно поглинає світло в ультрафіолетовій області з частотою ω= (ЕI — ЕII)/h. Згадайте, що в аміаку, де об'єктом, який стрибав угору й униз, була трійка протонів, відстань між енергіями припадала на мікрохвильову область. У бензолі таким об'єктом є електрони, і, оскільки вони набагато легші, їм і перескакувати туди-сюди теж набагато легше, через що коефіцієнт A стає значно більшим. У підсумку різниця енергій набагато більша — близько 1,5 еВ, а це енергія ультрафіолетового фотона.
Що ж відбувається, коли ми приєднуємо бром? Тоді знову виникають дві можливості з двома різними електронними конфігураціями, показані на фіг. 8.7. Відмінність їх у тому, що ті два базисні стани, з яких ми виходимо, мають тепер трохи різні енергії. У стаціонарний стан з найнижчою енергією й надалі входитиме лінійна комбінація двох станів, але з нерівними амплітудами. Для стану |1> амплітуда може стати рівною, скажімо, √2/3, для стану | 2> вона буде √1/3, щоб знати коефіцієнти точно, потрібна додаткова інформація, але, у всякому разі, якщо вже енергії H11 і H22 не рівні одна одній, то й амплітуди С1 і С2 не можуть бути рівні між собою. Це, звісно, означає, що одна з двох зображених на рисунку можливостей імовірніша за іншу, але все ж електрони достатньо рухливі, щоб і та, і інша мали якусь скінченну амплітуду. У іншого стаціонарного стану амплітуди інші (скажімо, √1/3 і –√2/3), але він лежить при вищій енергії. Є лише один найнижчий стан, а не два, як можна було б подумати, користуючись наївною теорією закріплених хімічних зв'язків.