Кіріспе
Ковалентті байланыста басқа атоммен бөліспейтін валентті электрондар жұбы. Химияда жалғыз жұп – ковалентті байланыста басқа атоммен бөліспейтін валентті электрондар жұбын білдіреді және кейде бөліспеген жұп немесе байланыспайтын жұп деп аталады. Жалғыз жұптар атомның ең сыртқы электрон қабығында кездеседі. Оларды Льюис құрылымын пайдалану арқылы анықтауға болады. Электрон жұптары егер екі электрон жұптасып, бірақ химиялық байланыста қолданылмаса, жалғыз жұптар деп саналады. Осылайша, жалғыз жұптағы электрондар саны мен байланыстағы электрондар санының қосындысы атомның айналасындағы валентті электрондар санына тең болады. Жалғыз жұп – молекулалардың пішіндерін түсіндіретін валентті қабықтың электрондық жұптардың тебілу теориясында (VSEPR теориясы) қолданылатын түсінік. Олар сондай-ақ Льюис қышқылдары мен негіздерінің химиясында да кездеседі. Дегенмен, химиягерлер барлық байланыспайтын электрон жұптарын жалғыз жұптар деп қарамайды. Мысалы, өтпелі металдарда байланыспайтын жұптар молекулалық геометрияға әсер етпейді және стереохимиялық белсенді емес деп есептеледі. Молекулалық орбитальдық теорияда (толыққандай де локализацияланған каноникалық орбитальдар немесе қандай да бір формада локализацияланған) жалғыз жұп тұжырымы азырақ ерекшеленеді, себебі орбиталь мен Льюис құрылымының компоненттері арасындағы сәйкестік көбінесе тікелей болмайды. Дегенмен, толыққандай байланыспайтын орбитальдар (немесе көбінесе байланыспайтын сипаттағы орбитальдар) көбінесе жалғыз жұптар ретінде анықталады. Азот тобындағы атомдарда, мысалы аммиактағы азоттан бір жалғыз жұп кездеседі. Судағы оттегі сияқты халкоген тобындағы атомдарда екі жалғыз жұп кездесуі мүмкін. Галогендер хлорлы сутектегідей үш жалғыз жұпты алып жүреді. VSEPR теориясында судағы оттегі атомындағы электрондық жұптар төртбұрыштың төбелерін құрайды, онда екі төбеде жалғыз жұптар орналасқан. H–O–H байланысы бұрышы 104,5°, тетраэдрлік бұрыш үшін болжамдалған 109°-тан кіші, және мұны жалғыз жұптардың арасындағы тебілу арқылы түсіндіруге болады. Жалғыз жұптардың болуына қатысты әртүрлі есептеу критерийлері ұсынылған. Электрондық тығыздық ρ(r) өзі бұл жағынан пайдалы нұсқаулық бермесе де, электрондық тығыздықтың Лапласианы ашып көрсетеді, ал жалғыз жұптың орналасуының бір критерийі L(r) = –∇2ρ(r) жергілікті максимум болып табылады. Электростатикалық потенциалдың V(r) минимумы тағы бір ұсынылатын критерий болып табылады. Тағы бір критерий электронды локализация функциясын (ELF) қарастырады.
In chemistry, a lone pair refers to a pair of valence electrons that are not shared with another atom in a covalent bond and is sometimes called an unshared pair or non bonding pair. Lone pairs are found in the outermost electron shell of atoms. They can be identified by using a Lewis structure. Electron pairs are therefore considered lone pairs if two electrons are paired but are not used in chemical bonding. Thus, the number of electrons in lone pairs plus the number of electrons in bonds equals the number of valence electrons around an atom. Lone pair is a concept used in valence shell electron pair repulsion theory (VSEPR theory) which explains the shapes of molecules. They are also referred to in the chemistry of Lewis acids and bases. However, not all non bonding pairs of electrons are considered by chemists to be lone pairs. Examples are the transition metals where the non bonding pairs do not influence molecular geometry and are said to be stereochemically inactive. In molecular orbital theory (fully delocalized canonical orbitals or localized in some form), the concept of a lone pair is less distinct, as the correspondence between an orbital and components of a Lewis structure is often not straightforward. Nevertheless, occupied non bonding orbitals (or orbitals of mostly nonbonding character) are frequently identified as lone pairs. A single lone pair can be found with atoms in the nitrogen group, such as nitrogen in ammonia. Two lone pairs can be found with atoms in the chalcogen group, such as oxygen in water. The halogens can carry three lone pairs, such as in hydrogen chloride. In VSEPR theory the electron pairs on the oxygen atom in water form the vertices of a tetrahedron with the lone pairs on two of the four vertices. The H–O–H bond angle is 104.5°, less than the 109° predicted for a tetrahedral angle, and this can be explained by a repulsive interaction between the lone pairs. Various computational criteria for the presence of lone pairs have been proposed. While electron density ρ(r) itself generally does not provide useful guidance in this regard, the Laplacian of the electron density is revealing, and one criterion for the location of the lone pair is where L(r) = –∇2ρ(r) is a local maximum. The minima of the electrostatic potential V(r) is another proposed criterion. Yet another considers the electron localization function (ELF).
Бұрыштық өзгерістер
Жұптар көбінесе жоғары заряд тығыздығына байланысты теріс полярлық қасиет көрсетеді және байланысқан электрон жұбына қарағанда атом ядросына орташа есеппен жақынырақ орналасады. Жалғыз жұптың болуы байланысқан электрон жұптары арасындағы байланыс бұрышын кемітеді, себебі олардың электр заряды жоғары, бұл электрондар арасында күшті итергіш күштер тудырады. Олар дативтік байланыс құруға да қатысады. Мысалы, гидроний (H3O+) ионының түзілуі қышқылдар суда еріген кезде болады және бұл оттегі атомының сутегі ионына жалғыз жұпты донор ретінде беруінен туындайды. Бұл екі таралған молекуланың мысалында жақсырақ көрінеді. Мысалы, жалғыз жұбы жоқ көмірқышқыл газында (CO2) оттегі атомдары көміртек атомының қарама-қарсы жағында орналасқан (сызықтық молекулалық геометрия), ал суда (H2O), екі жалғыз жұбы бар, сутек атомдары арасындағы бұрыш 104,5° құрайды (бұрылған молекулалық геометрия). Бұл оттегі атомының екі жалғыз жұбының итергіш күшінің салдарынан сутек атомдары бір-бірінен алшақтайды, нәтижесінде сутек атомындағы барлық электрондардың күштері тепе-теңдікке жетеді. Бұл VSEPR теориясының мысалы.
Диполды сәттер
Жалғыз жұптар молекуланың дипольдық моментіне үлес қосуы мүмкін. NH3 молекуласының дипольдық моменті 1,42 D-ге тең. Азоттың (3.04) электронегативтілігі сутегінің (2.2) электронегативтілігінен артық болғандықтан, N-H байланыстары полярлы болады, азот атомындағы таза теріс заряд және сутегі атомдарындағы кішірек таза оң заряд пайда болады. Сондай-ақ, жалғыз жұпқа байланысты диполь де бар, ол аммиактың дипольдық моментіне полярлы ковалентті N-H байланыстарының үлесін күшейтеді. NH3-ке қарағанда, NF3 молекуласының дипольдық моменті 0,234 D-ге дейін төмендейді. Фтор азоттан электронегативті және N-F байланыстарының полярлығы аммиактағы N-H байланыстарына кері, сондықтан жалғыз жұпқа байланысты диполь N-F байланыстарының дипольдеріне қарсы келеді, нәтижесінде молекулалық диполь моменті төмен болады.
Қалыпты емес жалғыз жұптар
Стереохимиялық белсенді жалғыз жұп еківалентті қорғасын және қалайы иондары үшін де күтіледі, себебі олардың формальды электрондық конфигурациясы ns2 болып табылады. Қатты күйде бұл PbO және SnO-ның тетрагональды литарж құрылымында байқалатын металл координациясының бұрмалануына әкеледі. Бұрын металлдың s және p орбитальдарының ішкі гибридтелуімен байланысты деп есептелген ауыр металл ns2 жалғыз жұптарының пайда болуы, жақында күшті анионға тәуелді екені көрсетілді. Анионның электрондық күйлеріне тәуелділік, PbS және SnTe сияқты кейбір еківалентті қорғасын және қалайы материалдарында жалғыз жұптың стереохимиялық белгілерінің болмауын және симметриялық тау тұзы кристалдық құрылымын қабылдауын түсіндіруге болады. Молекулалық жүйелерде жалғыз жұп металл ионының айналасындағы лигандтардың координациясында бұрмалауға әкелуі мүмкін. Қорғасынның жалғыз жұп әсері қорғасын(II) нитратының супрамолекулалық кешендерінде байқалады, ал 2007 жылы жүргізілген зерттеу жалғыз жұпты қорғасынмен уланумен байланыстырды. Қорғасын иондары бірнеше маңызды ферменттердегі туа таң металл иондарын, мысалы, ALAD ферментіндегі мырыш катиондарын алмастыра алады, ол порфобилиноген синтезасы деп те аталады және гемоглобин молекуласының маңызды құрауышы – гема синтезінде маңызды рөл атқарады. Гема синтезінің бұл тежелуі қорғасынмен уланудың молекулалық негізі болып табылады (сонымен қатар "сатурнизм" немесе "плюмбизм" деп те аталады). Есептеу тәжірибелері көрсеткендей, кальций байланыстыратын белоктарда алмастыру кезінде координациялық саны өзгермесе де, қорғасынның енгізілуі лигандтардың осындай пайда болатын жалғыз жұпқа бейімделу үшін ұйымдасуын бұзады, нәтижесінде бұл белоктардың құрылымы бұзылады. Бұл жалғыз жұп әсері мырыш байланыстыратын ақуыздар үшін, мысалы жоғарыда аталған порфобилиноген синтезасы үшін айқын болады, себебі табиғи субстрат енді байланыса алмайды – мұндай жағдайларда ақуыз тежеледі. 14-топ элементтерінде (көміртек тобында) жалғыз жұптар жеке байланыстардың (байланыс реті 1) ұзындығын қысқарту немесе ұзарту арқылы, сондай-ақ үштік байланыстардың тиімді ретінде де көрініс табуы мүмкін. Белгілі алкиндерде көміртек-көміртек үштік байланысы (байланыс реті 3) және 180° бұрышпен сызықтық геометрия бар (анықтамадағы А суреті). Дегенмен, топтың төменгі жағында (силиций, германий және қалайы) формальды үштік байланыстар бір жалғыз жұппен 2-ші реттік байланысқа ие (Б суреті).
Бірнеше жалғыз жұптар үшін әртүрлі сипаттамалар
Бастауыш химия курстарында судың жалғыз жұптары «қоян құлақтары» ретінде сипатталады: шамамен sp3 гибридтелуінің екі теңдес электрон жұбы, ал HOH байланысы бұрышы 104,5°, идеалдық тетраэдр бұрышы арккос(-1/3) ≈ 109,47°-дан сәл кіші. Кіші байланыс бұрышы VSEPR теориясымен екі теңдес жалғыз жұпқа екі байланыс жұбына қарағанда үлкен кеңістік қажеттілігін тағайындау арқылы түсіндіріледі. Алдыға қарай, бұл құбылысты түсіндіретін баламалы тәсіл – изовалентті гибридтелу теориясын қолдана отырып, s-сипаттамасы бар орбитальдардың жоғары тұрақтылығын қарастыру. Бұл теорияда, s және p сипаттамаларының жалпы саны сақталатын жағдайда, x-тың бүтін емес мәндеріне рұқсат етіледі, spx гибридтерімен байланыстар мен жалғыз жұптар құрастырылуы мүмкін (екінші қатардағы p-блоктық элементтер үшін бір s және үш p орбиталь). Судың байланыс жұптары мен жалғыз жұптарын құру үшін қолданылатын оттегі орбитальдарының гибридтелуін анықтау үшін 1 + x cos θ = 0 формуласын қолданамыз, бұл байланыс бұрышы θ-ны гибридтелу индексі x-пен байланыстырады. Бұл формулаға сәйкес, O–H байланыстары ~sp4.0 гибридтелуінің (~80% p сипаттамасы, ~20% s сипаттамасы) O байланыс орбитальдарынан құралған деп есептеледі, бұл ~sp2.3 гибридтелуінің (~70% p сипаттамасы, ~30% s сипаттамасы) O жалғыз жұп орбитальдарын қалдырады. Бұл ауытқулар идеалды sp3 гибридтелуден (75% p сипаттамасы, 25% s сипаттамасы) тетраэдрлік геометрия үшін Бент ережесімен сәйкес келеді: жалғыз жұптар байланыс жұптарына қарағанда орталық атомға жақын электрон тығыздығын көбірек шоғырландырады; сондықтан, жалғыз жұптарды құру үшін артық s сипаттамасы бар орбитальдарды (және, демек, байланыс жұптарын құру үшін артық p сипаттамасы бар) пайдалану энергетикалық тұрғыдан тиімді. Алайда, теоретиктер судың жалғыз жұптарын молекулалық жазықтыққа қатысты симметрия бойынша бөлетін судың баламалы сипаттамасын көбінесе артық көреді. Бұл модельде әртүрлі симметрияға ие екі энергетикалық және геометриялық жағынан ерекше су жұбы бар: біреуі (σ) жазықтықта және молекулалық жазықтыққа қатысты симметриялық, ал екіншісі (π) жазықтыққа перпендикуляр және антисимметриялық. σ симметриялы жалғыз жұп (σ(out)) 2s және 2p сипаттамаларын араластыратын гибридтік орбитальдан қалыптасады, ал π симметриялы жалғыз жұп (p) эксклюзивті 2p орбитальдық шығу тегіне ие. s сипаттамасы жоғары O σ(out) жалғыз жұп орбиталы (сондай-ақ nO(σ) деп белгіленеді) ~sp0.7 гибриді (~40% p сипаттамасы, 60% s сипаттамасы), ал p жалғыз жұп орбиталы (сондай-ақ nO(π) деп белгіленеді) 100% p сипаттамасынан тұрады. Екі модель де құнды және бірдей жалпы электрон тығыздығын көрсетеді, орбитальдар бірлік түрлендіру арқылы байланысты. Бұл жағдайда, біз h және h' екі теңдес жалғыз жұп гибридтік орбитальдарын h = c1σ(out) + c2p және h' = c1σ(out) – c2p сызықтық комбинацияларын c1 және c2 коэффициенттерін тиісті түрде таңдау арқылы құра аламыз. Молекуланың жалпы электрондық таралуына байланысты судың химиялық және физикалық қасиеттері үшін h және h' қолдануы σ(out) және p қолданумен бірдей жарамды. Кейбір жағдайларда, мұндай көзқарас интуитивті түрде пайдалы. Мысалы, аномерлік әсердің стереоэлектрондық талабын теңдес жалғыз жұптарды пайдалану арқылы түсіндіруге болады, өйткені антибайланыс орбиталына электрон тығыздығының жалпы доноры осы фактор болып табылады. σ/π бөлек жалғыз жұптарды пайдаланатын баламалы қарастыру да жарамды, бірақ ол nO(π) σ* жабысуын (максимумы 90° диэдр бұрышында) және nO(σ) σ* жабысуын (максимумы 0° диэдр бұрышында) максимизациялау арасындағы тепе-теңдікті талап етеді, бұл компромисс gauche конформациясының (60° диэдр бұрышы) ең қолайлы екеніне әкеледі, бұл теңдес жалғыз жұптар моделі әлдеқайда қарапайым түрде түсіндіреді. VSEPR теориясының танымалдылығына байланысты, судың жалғыз жұптарын теңдес деп қарастыру химияның кіріспе курстарында кең таралған, және көптеген тәжірибелі химиктер оны пайдалы модель ретінде қарастырады. Кетоның карбонил қышқылтек атомындағы екі жалғыз жұпты сипаттағанда ұқсас жағдай туындайды. Алайда, байланыс теориясы және педагогика тұрғысынан симметрияға бейімделген орбитальдардан теңдес орбитальдарды тудырудың ұғымдық тұрғыдан пайдалылығы бар ма деген сұрақ әлі де даулы, соңғы (2014 және 2015) мақалалар осы практиканы қолдайды немесе қарсы шығады.