不成对电子

在化学中，未成对电子是单独占据原子轨道的电子，而不是作为电子对的一部分。 原子的每个原子轨道（由三个量子数 n、l 和 m 指定）都有能力包含两个自旋相反的电子（电子对）。 由于电子对的形成通常在能量上是有利的，无论是以化学键的形式还是作为孤电子对，未成对电子在化学中相对不常见，因为携带未成对电子的实体通常相当活泼。 在有机化学中，它们通常只在称为自由基的实体发生反应时短暂出现； 然而，它们在解释反应途径方面发挥着重要作用。

自由基在 s 区和 p 区化学中并不常见，因为未配对的电子占据价 p 轨道或 sp、sp2 或 sp3 杂化轨道。 这些轨道具有很强的方向性，因此重叠形成强共价键，有利于自由基的二聚化。 如果二聚化会导致弱键或未配对的电子通过离域稳定，则自由基可以是稳定的。 相比之下，d 区和 f 区化学中的自由基非常常见。 未成对电子所在的方向性更差、扩散性更强的 d 和 f 轨道重叠效果更差，形成的键更弱，因此通常不利于二聚化。 这些 d 和 f 轨道也具有相对较小的径向延伸，不利于重叠形成二聚体。

确实存在具有不成对电子的相对更稳定的实体，例如 一氧化氮分子有一个。 根据洪德规则，未成对电子的自旋平行排列，这赋予了这些分子顺磁性。

在镧系元素和锕系元素的原子和离子上发现了不成对电子的最稳定的例子。 这些实体的不完整 f-shell 不会与它们所处的环境发生强烈的相互作用，这会阻止它们配对。 具有最多不成对电子的离子是具有七个不成对电子的 Gd3+ 和 Cm3+。

未配对的电子具有磁偶极矩，而电子对没有偶极矩，因为两个电子具有相反的自旋，因此它们的磁偶极场方向相反并抵消。 因此，具有未成对电子的原子充当磁偶极子并与磁场相互作用。 只有具有不成对电子的元素才会表现出顺磁性、铁磁性和反铁磁性。