
【化】 lone-pair electron
孤对电子(Lone Pair Electrons)是指原子最外层未参与化学键形成的电子对,在分子结构中以非键合形式存在。这一概念在价层电子对互斥理论(VSEPR)和分子轨道理论中具有重要地位,其英文术语"lone pair"由英国化学家Nevil Sidgwick于1923年首次系统描述。
从分子结构角度看,孤对电子占据的轨道空间比键合电子对大约15%,这会导致分子几何构型产生可测量的键角偏差。例如在NH₃分子中,氮原子的孤对电子使H-N-H键角从理论109.5°压缩至107°。这种空间排斥效应可通过以下公式量化: $$ theta = cos^{-1}left(frac{costheta_0 - k}{1 - k}right) $$ 其中θ为实测键角,θ₀为理想键角,k为孤对电子修正系数。
在化学反应中,孤对电子可作为路易斯碱参与配位作用,例如H₂O分子通过氧原子孤对电子与H⁺形成配位键。这种特性使含孤对电子的物质在催化反应和超分子组装中发挥关键作用。国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)在《化学术语纲要》中明确规范了孤对电子的定义标准,强调其需满足"定域在单个原子且不参与共价键形成"的双重要件。
孤对电子是化学中的一个重要概念,其详细解释如下:
孤对电子指分子或离子中某原子的最外电子层上,未参与形成共价键的电子对。例如,氨分子(NH₃)中氮原子最外层有5个电子,其中3个与氢形成共价键,剩余的一对未成键电子即为孤对电子(如电子式H:NH:H所示)。
孤对电子会显著改变分子的物理和化学性质:
在配位化学中,孤对电子是形成配位键的关键:配体(如NH₃)提供孤对电子,与中心原子(如Cu²⁺)的空轨道结合,形成配合物[Cu(NH₃)₄]²⁺。
以上内容综合了化学教材和百科释义,如需更深入的理论推导(如VSEPR模型),可参考量子化学相关文献。
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