Co to jest kwas Lewisa?
Nazwa kwas Lewisa pochodzi od amerykańskiego chemika Gilberta N. Lewisa. Pierwsi chemicy rozpoznali kwas jako substancję o kwaśnym smaku, która reaguje z niektórymi metalami i neutralizuje zasady lub zasady, tworząc sól. Jednak od końca XIX wieku starano się zdefiniować kwasy i zasady w bardziej rygorystyczny sposób, który wyjaśnia, co faktycznie dzieje się w reakcji kwasowo-zasadowej. Lewisa to najszersza definicja.
W 1883 roku szwedzki chemik Svante Arrhenius zdefiniował kwas jako substancję, która tworzy jony wodorowe (H + ) w roztworze wodnym, oraz zasadę jako substancję, która tworzy jony wodorotlenowe (OH - ). Jony H + - które są po prostu protonami - są zbyt reaktywne, aby istnieć w roztworze wodnym, i łączą się z cząsteczkami wody, tworząc jony hydronu (H 3 O + ). Definicja Arrheniusa okazała się bardzo przydatna i obejmuje większość związków powszechnie uważanych za kwasy. Na przykład kwas chlorowodorowy, roztwór gazowego chlorowodoru w wodzie, zapewnia jony H + , które tworzą jony hydroniowe w roztworze: HCl + H 2 O → H 3 O + + Cl - . Ta definicja pozostawała standardem aż do XX wieku i jest nadal często stosowana.
Charakterystyczną cechą wszystkich kwasów jest to, że neutralizują zasady, tworząc sole. Przykładem jest reakcja kwasu chlorowodorowego z wodorotlenkiem sodu (NaOH) z wytworzeniem chlorku sodu i wody (H 2 O): H 3 O + Cl - + Na + OH - → Na + Cl - + H 2 O. Tutaj Jony H + dostarczone przez kwas chlorowodorowy połączyły się z jonami OH - dostarczonymi przez wodorotlenek sodu w celu wytworzenia wody, podczas gdy jony Na + i Cl - razem wytworzyły sól, zgodnie z teorią Arrheniusa; jednak podobne reakcje mogą zachodzić między związkami, które nie pasują do definicji kwasów i zasad według Arrheniusa. Na przykład gazowy chlorowodór może reagować z gazowym amoniakiem z wytworzeniem soli chlorku amonu: HCl + NH3 → NH4 + Cl - . Dwa związki połączyły się, tworząc sól, ale ponieważ nie są w roztworze, nie ma jonów H + ani OH - , więc reagenty nie kwalifikują się jako kwas i zasada zgodnie z Arrheniusem.
W 1923 r. Dwóch chemików - Johaness Bronsted i Thomas Lowry - niezależnie wymyślili nową definicję. Zasugerowali, że kwas jest dawcą protonu, a zasada akceptorem protonów. W reakcji kwasowo-zasadowej kwas dostarcza proton lub jon H + do zasady; jednak żaden reagent nie musi być w roztworze, a jony H + lub OH - faktycznie występują przed reakcją. Definicja ta obejmuje wszystkie kwasy i zasady Arrheniusa, ale wyjaśnia również połączenie gazowego chlorowodoru i amoniaku jako reakcję kwasowo-zasadową: kowalencyjny chlorowodór dostarczył proton amoniaku z wytworzeniem jonu amonowego (NH 4 + ), który tworzy jonowy związek z jonem Cl.
Amerykański chemik Gilbert N. Lewis zasugerował także w 1923 r. Rozszerzoną koncepcję kwasów i zasad jako odpowiednio akceptorów i donorów par elektronów. Zgodnie z tą definicją reakcja kwasowo-zasadowa obejmuje reagenty tworzące wiązanie koordynacyjne - wiązanie kowalencyjne, w którym oba wspólne elektrony pochodzą z tego samego atomu - z elektronami pochodzącymi z zasady. W opisanej powyżej reakcji HCl – NaOH, jon H + dostarczony przez HCl przyjmuje parę elektronów z jonu OH - dostarczanego przez NaOH z wytworzeniem wody.
Zgodnie z tą teorią zatem zasada Lewisa jest związkiem, który ma niezwiązaną parę elektronów dostępną do wiązania. Struktura kwasowa Lewisa jest taka, że może osiągnąć stabilną konfigurację przez utworzenie wiązania współrzędnego z zasadą Lewisa. Zasady nie muszą zawierać jonów wodorotlenkowych ani przyjmować protonów, a kwas Lewisa nie musi zawierać wodoru ani dawać protonów. Definicja kwasu Lewisa obejmuje wszystkie kwasy Arrheniusa i Bronsteda-Lowry'ego, a także wiele substancji, które nie spełniają kryteriów Bronsteda-Lowry'ego lub Arrheniusa.
Dobrym przykładem takiej substancji jest trifluorek boru (BF 3 ). W tym związku bor, który zwykle ma trzy elektrony w swojej zewnętrznej powłoce, utworzył wiązania kowalencyjne, dzieląc parę elektronów z każdym z trzech atomów fluoru. Chociaż związek jest stabilny, w jego zewnętrznej powłoce jest miejsce na jeszcze dwa elektrony. Może zatem tworzyć wiązanie współrzędnych z donorem pary elektronów - innymi słowy, zasadą.
Na przykład, może łączyć się z amoniakiem (NH3), który ma atom azotu z niezwiązaną parą elektronów, ponieważ trzy z pięciu elektronów w zewnętrznej powłoce azotu są w wiązaniach kowalencyjnych z trzema atomami wodoru. Kombinacja trifluorku boru i amoniaku jest zatem następująca: BF 3 +: NH3 → BF 3 : NH3 - „:” oznacza parę elektronów z atomu azotu amoniaku. Trifluorek boru zachowuje się zatem jak kwas Lewisa, a amoniak jako zasada.