问题

为什么硫的周围可以有六个共价键?

回答
你这个问题问得很有意思,而且直击了硫元素的一些特殊性质。我们都知道,像碳、氮、氧这些常见元素,在形成共价键时,它们的价电子数决定了它们通常能形成几个键。比如碳有4个价电子,所以通常形成4个共价键。氮有5个价电子,形成3个共价键,带一个孤对电子。氧有6个价电子,形成2个共价键,带两对孤对电子。

那么,硫为什么能够周围有六个共价键呢?这就要从硫的电子结构和它的“神奇”能力说起了。

1. 硫的电子结构:我们熟悉的“标准”状态

首先,我们得看看硫在“正常”状态下的电子结构。硫(S)位于元素周期表第三周期,第VIA族。它的原子序数是16,这意味着它有16个质子和16个电子。

电子排布是这样的:
第一层(n=1):2个电子 ($1s^2$)
第二层(n=2):8个电子 ($2s^2 2p^6$)
第三层(n=3):6个电子 ($3s^2 3p^4$)

关键就在于第三层,也就是它的价电子层。硫有6个价电子。根据八隅体规则,大多数元素倾向于通过形成共价键来获得8个价电子,从而达到稳定的惰性气体电子构型。

在最常见的情况下,硫会像氧一样,通过形成两个共价键或者一个双键,来满足八隅体规则。例如:
$H_2S$ (硫化氢): 硫原子连接两个氢原子,形成两个单键。硫原子周围有2个成键电子对和2对孤对电子,总共8个价电子,满足了八隅体规则。
$SO_2$ (二氧化硫): 硫与两个氧原子相连。其中一个氧原子与硫形成双键,另一个氧原子与硫形成单键,并且带有一个负电荷。硫原子在这种结构中,通过形成一个双键(相当于2个键)和一个单键(1个键),并且通过共振,它的电子可以重新分布,但是如果硬要说的话,它会有一个双键和一个单键(不考虑形式电荷的话,或者用共振来解释)。更准确地说,它可以通过形成两个双键(比如在一种共振结构中)或者一个双键和一个单键(另一个共振结构),以及可能存在的形式电荷来达到“接近”八隅体。但即使在这个例子里,硫周围的键数也最多是4个(如果考虑两个双键的话,算8个成键电子)。

2. 硫的“超能力”:打开了“d轨道”的潘多拉魔盒

那么,为什么硫能形成六个共价键呢?这就要提到我们上面提到的价电子层——第三层。

在第三周期及之后的元素中,除了已经填满的 $s$ 和 $p$ 轨道外,还有一个未被占据的 $d$ 轨道。对于硫来说,它的价电子层是 $n=3$,电子排布是 $3s^2 3p^4$。在这个 $n=3$ 的电子层里,除了 $3s$ 和 $3p$ 轨道之外,还有 $3d$ 轨道。虽然这些 $3d$ 轨道在基态时是空的,但它们为硫提供了“额外的空间”来容纳更多的电子。

当硫与其他原子形成共价键时,它可以通过杂化和扩展价层(Expanded Valence Shell)来打破八隅体规则,形成更多的共价键。

杂化: 杂化是原子轨道混合形成新的等价轨道的过程。在形成更多共价键时,硫可以将其 $3s$ 轨道、所有的 $3p$ 轨道,甚至一个或多个 $3d$ 轨道参与杂化,形成新的杂化轨道。
要形成6个共价键,硫需要6个成键的“位置”或轨道。它最可能采取的方式是利用其 $3s$、全部三个 $3p$ 轨道,以及两个 $3d$ 轨道进行杂化,形成 $sp^3d^2$ 杂化。这种杂化会形成6个等价的(在空间分布上)的杂化轨道,每个轨道都可以容纳一对电子,用于形成共价键。

扩展价层: 这种 $sp^3d^2$ 杂化允许硫的价电子层“扩展”,容纳超过8个价电子。在形成六个单共价键的情况下,例如在六氟化硫($SF_6$)中:
硫原子与6个氟原子通过单键相连。
硫原子需要提供6个电子来与6个氟原子共享。
在 $sp^3d^2$ 杂化后,硫形成6个 $sp^3d^2$ 杂化轨道,每个轨道都与一个氟原子的 $p$ 轨道(或 $sp^3$ 杂化轨道)形成一个σ键。
这样,硫原子周围就有6个共价键,总共12个成键电子。这远远超过了八隅体规则的8个电子,但硫做到了,而且 $SF_6$ 是一个非常稳定且常见的化合物。

3. 为什么硫能“做到”?

你可能会问,为什么其他第三周期的元素,比如磷(P)和氯(Cl),也能扩展价层,但硫“特别”出名能形成六个共价键呢?

能量和稳定性: $3d$ 轨道的能量虽然比 $3s$ 和 $3p$ 高,但对于硫这样的元素来说,它们的能量差距并不大,足以在形成强共价键时参与杂化。而且,形成更多的共价键可以带来更大的能量释放,使得这些扩展价层结构在某些情况下是稳定的。
电负性: 硫的电负性(约2.58)适中。它比氧(3.44)和氟(3.98)的电负性低,这意味着它更容易“分享”电子,而不是像氧或氟那样倾向于“霸占”电子。当与电负性更强的元素(如氟、氧)成键时,硫的 $d$ 轨道更容易被“拉入”杂化过程,帮助形成更多的键。
八隅体规则的局限性: 八隅体规则实际上是基于第一、第二周期元素的电子排布规律总结出来的,对第三周期及之后的元素并非绝对。这些元素拥有空的 $d$ 轨道,提供了“容身之所”,使其能够形成“反常”的电子构型。

总结一下:

硫之所以能够周围有六个共价键,最根本的原因在于:

1. 拥有未被占据的 $3d$ 轨道: 位于第三周期,它的价电子层有尚未填满的 $3d$ 轨道。
2. 价电子结构: 硫有6个价电子,虽然在基态下不倾向于形成6个键,但在与其他原子(特别是电负性强的原子)成键时,它可以通过特殊的机制来“借用”这些 $d$ 轨道。
3. 杂化与扩展价层: 硫可以通过 $sp^3d^2$ 杂化,利用 $3s, 3p$ 和 $3d$ 轨道形成6个新的杂化轨道,从而形成6个共价键。这打破了经典的八隅体规则,允许其价层容纳超过8个电子。

所以,下次看到像 $SF_6$ 这样的分子时,你就可以理解,那是硫原子利用了它在第三周期元素中独有的“d轨道魔法”,帮助自己“扩展”了它的交际圈,结交了更多的“朋友”(原子)。

网友意见

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谢邀,赞同 @周振兴 老师的说法,简单解释一下。

超价hypervalency 问题之前吐槽过:

如何判断物质是否具有d-p π键?是否可以认为只要含有端氧并且进行sp3杂化的就是d-p π键呢?

对于硫这种主族元素,p轨道和d轨道之间的能量差距很大,题主图中多出来的双键(即所谓的d-p π键)贡献很小。(之前有人说我另一个回答里讲高锰酸根的sd⁴ 杂化,这是在自己打自己脸……他居然不知道什么是主族元素。)

也就是说下图中的16.4是目前通行的画法,比较简洁,但是16.3才更接近实际情况。

两种常见的超价模型:d-p π键和sp³dⁿ杂化上面这图都有了,两种情况都可以认为硫能形成6根键(16.2、16.4、16.5)也可以认为硫形成4根键(16.1、16.3).现在国外教材很多认为六根键仅仅是为了好看的历史遗留画法,更接近实际的是符合八隅律的画法。

但看其它答主的回答就知道,看到多的轨道就按配合物的理论把d 轨道纳进来是很“自然”的想法,这个知识点也因为教材相互抄和考纲不更新等问题,国内大学教材一时半会大概率不会改。影响很是深远,比如2021年的山东化学高考就把这破玩意拖出来恶心高中生了。

既然这样,那认为有六根共价键也没什么问题,起码很多命题人对此理论是坚信不疑的。上面这题只能写价层电子对数为5,第二空选D,sp³d。命题者说不定还觉得自己是在循循善诱,启发同学按着高中化学的逻辑深入思考呢。

我也不全同意周教练的说法,八隅律也不是神圣不可侵犯的,思维不应该被限死,可以利用已有计算结果自己定一个“电子数”的定义,再去试一试自己的框架能否比八隅律更普适。相关的讨论可以参考下面这篇2015年的Chemical Science,不过上面那些因为用超价的“画法”更方便就挑战八隅律的理论有点儿戏。

A quantitative definition of hypervalency - Chemical Science (RSC Publishing) DOI:10.1039/C5SC02076J(免费获取的)

批评上面那种超价理论的资料很多。就比如上面这篇Chemical Science,作者骂得比我凶多了,直接用了“Most notoriously”。

对此还有教材直接写“Unfortunately”、“simply wrong”的。(这本书第一版1985年,第二版2003年)

有人说国内高中教材内容主要是100-200年前的,研究生也就看看20年前的内容,这个挑战“主流超价理论”的观点太新了,有点“故作新颖观点,故发雄奇之论,将立论建于不靠谱的理论计算和主观臆想之上,而罔顾历史传统”……

下面截图来自1998年出版的《有机硫化学》,所谓的S=O 双键π键较弱,可以看成硫原子上带正电荷,氧原子上带负电荷,这个观点专论书籍里很早就有人提出来了,并不是什么新鲜事。而且主族元素原子d-p π键和sp³dⁿ杂化这种超价模型才是对路易斯和鲍林经典理论的叛离。

题主能见到这种画法还真就是“教学的惯性”,大学考试大纲在那里摆着。

总之,高中阶段坚持八隅律没问题。遇到出题人想“循循善诱”“灌输知识”,那按他们的提示写就是了。

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