Условие задачи
Составьте схему образования химической связи в молекуле сероводорода.
Решение
Наша задача относится к химии, а именно к теме формирования химических связей с использованием представлений орбитальной теории – валентной связи (VB‑теории) и концепций атомных орбиталей. Ниже приведём подробное решение с описанием этапов образования связи в молекуле сероводорода (H₂S).
──────────────────────────────
1. Электронные конфигурации исходных атомов
• Водород (H):
электронная конфигурация – 1s¹. Каждый атом водорода имеет один 1s‑электрон.
• Сера (S):
электронная конфигурация – [Ne] 3s² 3p⁴.
Из шести валентных электронов два оказываются в орбитали 3s (с парой электронов), а четыре – в трёх 3p‑орбиталях.
При рассмотрении образования связи можно выделить, что в 3p‑орбиталях, согласно правилу наибольшего спина, два электрона могут находиться в отдельных орбиталях (непарными), что создаёт возможность для наложения с электронами водорода.
──────────────────────────────
2. Образование σ‑связей
При образовании молекулы H₂S сера занимает центральное положение, а два атома водорода располагаются по бокам, что приводит к изгибу молекулы (угол около 92°–92,5°). Схематически молекулу можно записать как:
H – S – H
Основной вклад в образование химической (σ‑) связи в H₂S даётся перекрытием:
– орбитали 1s каждого водорода (с по одному электрону)
– с одной из подходящих 3p‑орбиталей серы, в которой имеется «свободный» (одинокий) электрон.
То есть, каждое перекрытие выглядит так:
H(1s¹) + S(3p¹) → формирование σ‑связи
В результате происходит голововое (end‑to‑end) перекрытие орбиталей, что образует молекулярную орбиталь с пониженной энергией (связующую орбиталь σ) и соответствующую антисвязующую орбиталь σ*. Два электрона (по одному от H и S) заполняют связывающую орбиталь и образуют σ‑связь.
──────────────────────────────
3. Схематическое изображение образования σ‑связей в H₂S
Мы можем представить схему образования двух σ‑связей следующим образом:
1s(•) 1s(•)
│ │
H → ← H
S: 3s² 3p⁴
↙ ↘
3p(•) 3p(•)
формирование двух σ‑связей
Здесь:
– Каждый атом водорода (H) с орбиталью 1s, содержащей по одному электрону (обозначено как •), перекрывается с одной из свободных (одинарно занятых) 3p‑орбиталей серы.
– В результате образуются две сигма (σ) связи H–S.
Примечание по гибридизации:
В классическом подходе можно было бы предположить sp³‑гибридизацию атома серы, где два гибридных орбитали занимают место для образования связей с водородами, а две оставшиеся содержат неподелённые пары. Однако экспериментальные данные и современные теории указывают, что для серы энергетическая разница между 3s и 3p орбиталями достаточно велика, и полноценная гибридизация в случае H₂S происходит не так, как у атомов второй главной группы (например, у кислорода в воде). Тем не менее, для описания σ‑связей используют идею перекрытия орбиталей: атом водорода использует 1s‑орбитали, а сера – одну из 3p‑орбиталей, направленных в сторону водородов.
──────────────────────────────
4. Итоговая схема образования молекулярных орбиталей
Для каждой H–S связи можно записать:
H(1s¹) + S(3p¹) → σ( H–S )
Заполненные σ‑орбитали содержат пары электронов, которые удерживают атомы вместе в молекуле. Остальные орбитали серы (3s², оставшиеся 3p‑орбитали) остаются заполненными неподелёнными парами, что приводит к наличию двух свободных пар, влияющих на геометрию молекулы (из-за электронного отталкивания).
──────────────────────────────
Вывод
Таким образом, схема образования химической связи в молекуле сероводорода основана на взаимодействии атомных орбиталей водорода (1s) с одной из 3p‑орбиталей серы, что приводит к образованию двух σ‑связей. Остальные электронные пары серы остаются неподелёнными и определяют угол связи в молекуле. Эта схема позволяет объяснить строение, геометрию и распределение электронов в H₂S, опираясь на принципы орбитальной теории химической связи.