Ασύζευκτο ηλεκτρόνιο

Περιοδικός πίνακας με στοιχεία που έχουν τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια χρωματιστά

Στη χημεία, ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο (unpaired electron) είναι ένα ηλεκτρόνιο που καταλαμβάνει ένα τροχιακό ενός ατόμου μεμονωμένα, αντί ως μέρος ενός ζεύγους ηλεκτρονίων. Κάθε ατομικό τροχιακό ενός ατόμου (που καθορίζεται από τα τρεις κβαντικούς αριθμούς n, l και m) έχει τη δυνατότητα να περιέχει δύο ηλεκτρόνια (ζεύγος ηλεκτρονίων) με αντίθετα σπιν. Καθώς ο σχηματισμός ζευγών ηλεκτρονίων είναι συχνά ενεργειακά ευνοϊκός, είτε με τη μορφή χημικού δεσμού είτε ως μονήρες ζεύγος, τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια είναι σχετικά ασυνήθιστα στη χημεία, επειδή μια οντότητα που φέρει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο είναι συνήθως μάλλον δραστική. Στην οργανική χημεία εμφανίζονται συνήθως μόνο για λίγο κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης σε μια οντότητα που ονομάζεται ρίζα. Ωστόσο, παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξήγηση των οδών της αντίδρασης. Οι ρίζες είναι ασυνήθιστες στη χημεία στα s και p μπλοκ, καθώς το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο σθένους τροχιακού p ή ένα sp, sp² ή sp³ υβριδικό τροχιακό. Αυτά τα τροχιακά είναι έντονα κατευθυνόμενα και επομένως αλληλεπικαλύπτονται για να σχηματίσουν ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, ευνοώντας τον διμερισμό των ριζών. Οι ρίζες μπορεί να είναι σταθερές εάν ο διμερισμός έχει ως αποτέλεσμα έναν ασθενή δεσμό ή τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σταθεροποιηθούν με αποεντοπισμό. Αντίθετα, οι ρίζες στη χημεία των μπλοκ d και f είναι πολύ κοινές. Τα λιγότερο κατευθυνόμενα, πιο διάχυτα d και f τροχιακά, στα οποία βρίσκονται τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια, επικαλύπτονται λιγότερο αποτελεσματικά, σχηματίζουν ασθενέστερους δεσμούς και έτσι ο διμερισμός δεν ευνοείται γενικά. Αυτά τα τροχιακά d και f έχουν επίσης συγκριτικά μικρότερη ακτινική προέκταση, με αποτέλεσμα να μην ευνοούν την επικάλυψη για να σχηματίσουν διμερή. Υπάρχουν σχετικά πιο σταθερές οντότητες με ασύζευκτα ηλεκτρόνια, π.χ. το μόριο του μονοξειδίου του αζώτου έχει μία. Σύμφωνα με τον κανόνα του Χουντ, τα σπιν των ασύζευκτων ηλεκτρονίων είναι ευθυγραμμισμένα παράλληλα και αυτό δίνει σε αυτά τα μόρια παραμαγνητικές ιδιότητες. Τα πιο σταθερά παραδείγματα ασύζευκτων ηλεκτρονίων βρίσκονται στα άτομα και τα ιόντα των λανθανιδών και των ακτινιδών. Η ασυμπλήρωτη στοιβάδα f αυτών των οντοτήτων δεν αλληλεπιδρά πολύ έντονα με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται και αυτό εμποδίζει τη σύζευξή τους. Τα ιόντα με τον μεγαλύτερο αριθμό ασύζευκτων ηλεκτρονίων είναι το Gd³⁺ και το Cm³⁺ με επτά ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο έχει μαγνητική ροπή, ενώ ένα ζεύγος ηλεκτρονίων δεν έχει διπολική ροπή επειδή τα δύο ηλεκτρόνια έχουν αντίθετα σπιν, επομένως τα μαγνητικά τους διπολικά πεδία είναι σε αντίθετες κατευθύνσεις και αλληλοαναιρούνται. Έτσι ένα άτομο με ασύζευκτα ηλεκτρόνια δρα ως μαγνητικό δίπολο και αλληλεπιδρά με ένα μαγνητικό πεδίο. Μόνο στοιχεία με ασύζευκτα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν παραμαγνητισμό, σιδηρομαγνητισμό και αντισιδηρομαγνητισμό.