Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Одним із найважливіших вуглеводнів є бензен, що має формулу C6H6. Це летка рідина (т. пл. 5,5°C, т. кип. 80,1°C, густина 0,88 г·см-3). Бензен та інші аналогічні за структурою вуглеводні називають ароматичними вуглеводнями*. Їхні похідні, звані ароматичними речовинами, мають характерний приємний запах. Бензен було відкрито в 1825 р. Фарадеєм, який виявив його у світильному газі, що одержують нагріванням олив і жирів.
Протягом багатьох років тривала дискусія щодо будови молекули бензену. У 1862 р. німецький хімік Август Кекуле (1829— 1896) висловив припущення, що шість атомів Карбону утворюють у просторі правильний шестикутник, а сполучені з ними шість атомів Гідрогену утворюють шестикутник більшого розміру. Кекуле висловив думку, що бензенове кільце повинно мати три одинарні й три подвійні зв'язки, які чергуються між собою, оскільки в цьому разі кожен атом Карбону перебуватиме в нормальному чотиривалентному стані. Така структура, наведена нижче, називається структурою Кекуле
Інші вуглеводні, похідні бензену, можна одержати заміщенням атомів Гідрогену метильними або іншими аналогічними групами. До складу кам'яновугільної смоли і нафти входять багато речовин цього виду, наприклад толуен C7H8 і три ізомерні ксилени C8H10. Формули цих сполук зручніше записувати, виділяючи ароматичне кільце, як C6H5CH3 і C6H4(CH3)2, щоб показати їхню структуру:
У цих формулах бензенове кільце з шести атомів Карбону показано як простий шестикутник. Така умовність прийнята хіміками-органіками, які часто не вказують також і атомів Гідрогену, обмежуючись лише зазначенням інших груп, приєднаних до кільця.
Слід зазначити, що для бензену та його похідних можна написати дві структури Кекуле. Так, для орто-ксилену дві структури Кекуле можна подати таким чином:
У першій структурі є подвійний зв'язок між атомами Карбону, з якими зв'язані метильні групи, у другій — між цими атомами перебуває одинарний зв'язок. Однак уже століття тому хіміки-органіки встановили, що неможливо виділити два ізомери, будова яких відповідала б цим формулам. Щоб пояснити неможливість такого розділення, Кекуле припустив, що ця молекула не зберігає одну структуру, а легко переходить з однієї в іншу. Сучасна теорія будови молекул описує молекулу о-ксилену як гібрид цих двох структур, причому кожен зв'язок між двома атомами Карбону в кільці має характер, проміжний між одинарним і подвійним зв'язками. Незважаючи на те що така резонансна структура прийнята для бензену і споріднених з ним сполук, все ж часто зручніше писати одну зі структур Кекуле або тільки шестикутник, що зображає молекулу бензену.
Будову молекули бензену було встановлено методом дифракції електронів у 1929 р. і в наступні роки. Це плоский шестикутник, у якому довжина зв'язку Карбон — Карбон дорівнює 140 пм (довжина зв'язку C—H дорівнює 106 пм). Це значення довжини зв'язку, що має на 50% характер подвійного зв'язку, цілком узгоджується з величинами 154 пм для зв'язку C—C, 133 пм для зв'язку C = C і 142 пм для зв'язку, що має на 33 1/3% характер подвійного зв'язку (графіт). Плоска конфігурація молекули відповідає властивостям подвійного зв'язку (підрозд. 6.5).
Бензен та його похідні мають виняткове значення. Їх застосовують у виробництві ліків, вибухових речовин, фотопроявників, пластиків, синтетичних барвників і багатьох інших речовин. Так, тринітротолуен (ТНТ, тол або тротил) C6H2(CH3) (NO2)3 є важливою вибуховою речовиною. Структура цієї речовини
Крім бензену та його похідних, існує багато інших ароматичних вуглеводнів, що мають два або кілька кілець з атомів Карбону. Нафталін C10H8 — тверда речовина з характерним запахом; нафталін застосовують як засіб боротьби з міллю та у виробництві барвників та інших органічних сполук. Антрацен C14H10 і фенантрен C14H10 є ізомерними речовинами, що містять три кільця, з'єднані в одну систему. Ці речовини також застосовують у виробництві барвників, а їхні похідні є важливими біологічно активними речовинами (холестерин, статеві гормони; див. розд. 14). Нафталіну, антрацену і фенантрену можна приписати такі структурні формули:
Ці молекули також мають гібридні структури; показані вище структурні формули не повністю відображають їхню будову, вони лише аналогічні одній зі структур Кекуле для бензену.
Енергія резонансу бензену
Теплота, що виділяється внаслідок приєднання молекули водню за подвійним зв'язком, становить приблизно 120 кДж·моль-1. Для циклогексену, наприклад, експериментальне значення дорівнює 119,6 кДж·моль-1
Якби молекула бензену відповідала лише одній структурі Кекуле 
, то можна було б очікувати, що теплота гідрування трьох її подвійних зв'язків буде приблизно втричі перевищувати теплоту гідрування одного подвійного зв'язку в циклогексені, 3×119,6=358,8 кДж·моль-1
Однак експериментально встановлене значення теплоти гідрування на 150 кДж·моль-1 менше
C6H6 (г.) +3H2 (г.) → C6H12 (г.) + 208,4 кДж·моль-1
Із цього можна зробити висновок, що молекула бензену на 150 кДж·моль-1 стійкіша, ніж якби вона відповідала єдиній структурі Кекуле, в якій кожен із трьох подвійних зв'язків аналогічний подвійному зв'язку в циклогексені. Цю додаткову стабілізувальну енергію, що дорівнює 150 кДж·моль-1, називають енергією резонансу бензену. Це пов'язують з тим фактом, що молекула бензену не може бути задовільно подана однією структурою Кекуле, але достатньо добре описується як гібрид двох таких структур**.
Енергією резонансу бензену пояснюється й значно менша хімічна реакційна здатність цієї сполуки порівняно з алкенами та іншими ненасиченими сполуками. Так, реакція приєднання однієї молекули водню до бензену з утворенням циклогексадієну
є ендотермічною, а не екзотермічною реакцією. Властивості бензену та інших ароматичних сполук відображають стійкість, пов'язану з наявністю енергії резонансу.
* Нециклічні вуглеводні, розглянуті в попередньому підрозділі, називаються аліфатичними вуглеводнями.
* * Було б, звичайно, вельми дивовижно, якби молекула бензену в її нормальному стані виявилася менш стійкою, ніж гіпотетична молекула, що описується однією зі структур Кекуле; виникло б питання, чому молекулі бензену не приписати стійкішої структури. Теорія резонансу ґрунтується на теоремі квантової механіки, згідно з якою нормальний стан атома або молекули є найстійкішим з усіх можливих станів.