
【化】 lone-pair electron
孤對電子(Lone Pair Electrons)是指原子最外層未參與化學鍵形成的電子對,在分子結構中以非鍵合形式存在。這一概念在價層電子對互斥理論(VSEPR)和分子軌道理論中具有重要地位,其英文術語"lone pair"由英國化學家Nevil Sidgwick于1923年首次系統描述。
從分子結構角度看,孤對電子占據的軌道空間比鍵合電子對大約15%,這會導緻分子幾何構型産生可測量的鍵角偏差。例如在NH₃分子中,氮原子的孤對電子使H-N-H鍵角從理論109.5°壓縮至107°。這種空間排斥效應可通過以下公式量化: $$ theta = cos^{-1}left(frac{costheta_0 - k}{1 - k}right) $$ 其中θ為實測鍵角,θ₀為理想鍵角,k為孤對電子修正系數。
在化學反應中,孤對電子可作為路易斯堿參與配位作用,例如H₂O分子通過氧原子孤對電子與H⁺形成配位鍵。這種特性使含孤對電子的物質在催化反應和超分子組裝中發揮關鍵作用。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)在《化學術語綱要》中明确規範了孤對電子的定義标準,強調其需滿足"定域在單個原子且不參與共價鍵形成"的雙重要件。
孤對電子是化學中的一個重要概念,其詳細解釋如下:
孤對電子指分子或離子中某原子的最外電子層上,未參與形成共價鍵的電子對。例如,氨分子(NH₃)中氮原子最外層有5個電子,其中3個與氫形成共價鍵,剩餘的一對未成鍵電子即為孤對電子(如電子式H:NH:H所示)。
孤對電子會顯著改變分子的物理和化學性質:
在配位化學中,孤對電子是形成配位鍵的關鍵:配體(如NH₃)提供孤對電子,與中心原子(如Cu²⁺)的空軌道結合,形成配合物[Cu(NH₃)₄]²⁺。
以上内容綜合了化學教材和百科釋義,如需更深入的理論推導(如VSEPR模型),可參考量子化學相關文獻。
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