Hva er en Lewis-syre?

Begrepet Lewis-syre er oppkalt etter den amerikanske kjemikeren Gilbert N. Lewis. Tidlige kjemikere anerkjente en syre som et stoff med en sur smak som reagerer med noen metaller og som nøytraliserer baser, eller alkalier, og produserer et salt. Siden slutten av 1800-tallet er det imidlertid gjort forsøk på å definere syrer og baser på en mer streng måte, og en som forklarer hva som faktisk skjer i en syre-base-reaksjon. Lewis er den bredeste definisjonen.

I 1883 definerte den svenske kjemikeren Svante Arrhenius en syre som et stoff som danner hydrogenioner (H ⁺ ) i vandig løsning, og en base som et stoff som danner hydroksid (OH ^- ) -ioner. H ⁺ -ionene - som ganske enkelt er protoner - er for reaktive til å eksistere i en vandig løsning, og assosieres med vannmolekyler til å danne hydronium (H3O ⁺ ) -ioner. Arrhenius 'definisjon viste seg å være veldig nyttig og dekker de fleste forbindelser som vanligvis anses som syrer. For eksempel gir saltsyre, en løsning av gassen hydrogenklorid i vann, H ⁺ -ioner som danner hydroniumioner i oppløsning: HCl + H2O → H3O ⁺ + Cl ^- . Denne definisjonen forble standarden helt til langt ut på 1900-tallet og brukes fremdeles ofte i dag.

Et definerende kjennetegn på alle syrer er at de nøytraliserer baser for å produsere salter. Et eksempel er reaksjonen av saltsyre med natriumhydroksyd (NaOH) for å produsere natriumklorid og vann (H20): H3O ⁺ Cl ^- + Na ⁺ OH ^- → Na ⁺ Cl ^- + H20. H ⁺ -ioner levert av saltsyren har kombinert med OH ^- ionene levert av natriumhydroksydet for å produsere vann, mens Na ⁺ og Cl ^- ionene har kombinert for å produsere salt i samsvar med Arrhenius 'teori; lignende reaksjoner kan imidlertid forekomme mellom forbindelser som ikke passer til Arrhenius-definisjonene av syrer og baser. For eksempel kan gassformig hydrogenklorid reagere med gassformig ammoniakk for å danne saltammoniumklorid: HCl + NH3 → NH4 ⁺ Cl-. To forbindelser har kombinert for å danne et salt, men siden de ikke er i oppløsning, er det ingen H ⁺ eller OH ^- ioner til stede, så reaktantene kvalifiserer ikke som en syre og en base i henhold til Arrhenius.

I 1923 kom to kjemikere - Johaness Bronsted og Thomas Lowry - uavhengig av en ny definisjon. De antydet at en syre var en protondonor og en base en protonakseptor. I en syre-base-reaksjon gir syren et proton, eller H ⁺ ion, til basen; ingen av reaktantene trenger imidlertid å være i løsning, med H ⁺ eller OH ^- ioner som faktisk er til stede før reaksjonen. Denne definisjonen inkluderer alle Arrhenius syrer og baser, men forklarer også kombinasjonen av gassformig hydrogenklorid og ammoniakk som en syre-base-reaksjon: det kovalente hydrogenkloridet har gitt et proton til ammoniakken for å danne et ammonium (NH4 ⁺ ) -ion, som danner en ionisk forbindelse med Cl ^- ion.

Den amerikanske kjemikeren Gilbert N. Lewis foreslo, også i 1923, et utvidet konsept av syrer og baser som henholdsvis elektronpar-akseptorer og givere. Ved denne definisjonen involverer en syre-base-reaksjon at reaktantene danner en koordinatbinding - en kovalent binding der begge de delte elektronene kommer fra samme atom - med elektronene som kommer fra basen. I HCl – NaOH-reaksjonen beskrevet ovenfor, aksepterer H ⁺ -ionet levert av HCl et elektronpar fra OH ^- ionet levert av NaOH for å danne vann.

I følge denne teorien er derfor en Lewis-base en forbindelse som har et ubundet elektronpar tilgjengelig for binding. Lewis-syrestrukturen er slik at den kan oppnå en stabil konfigurasjon ved å danne en koordinatbinding med en Lewis-base. Basene trenger ikke inneholde hydroksydioner eller akseptere protoner, og en Lewis-syre trenger ikke inneholde hydrogen eller donere protoner. Lewis-syre-definisjonen inkluderer alle Arrhenius- og Bronsted-Lowry-syrer og også mange stoffer som ikke oppfyller Bronsted-Lowry- eller Arrhenius-kriteriene.

Et godt eksempel på et slikt stoff er bortrifluorid (BF ₃ ). I denne forbindelsen har bor, som normalt har tre elektroner i det ytre skallet, dannet kovalente bindinger, som deler et elektronpar med hvert av de tre fluoratomer. Selv om forbindelsen er stabil, har den plass til ytterligere to elektroner i det ytre skallet. Det kan dermed danne en koordinatbinding med en elektronpaar-donor - med andre ord en base.

For eksempel kan den kombinere med ammoniakk (NH ₃ ), som har et nitrogenatom med et ubundet elektronpar, da tre av de fem elektronene i nitrogenens ytre skall er i kovalente bindinger med de tre hydrogenatomene. Kombinasjonen av bortrifluorid og ammoniakk er således som følger: BF ₃ +: NH ₃ → BF ₃ : NH ₃ - “:” representerer elektronparet fra ammoniakkens nitrogenatom. Bortrifluorid oppfører seg dermed som en Lewis-syre og ammoniakk som en base.