Vad är en Lewis-syra?
Termen Lewis-syra är uppkallad efter den amerikanska kemisten Gilbert N. Lewis. Tidiga kemister erkände en syra som ett ämne med en sur smak som reagerar med vissa metaller och som neutraliserar baser, eller alkalier, som producerar ett salt. Sedan slutet av 1800-talet har dock försök gjorts att definiera syror och baser på ett mer rigoröst sätt, och ett som förklarar vad som faktiskt händer i en syrabasreaktion. Lewis är den bredaste definitionen.
1883 definierade den svenska kemisten Svante Arrhenius en syra som ett ämne som bildar vätejoner (H + ) i vattenlösning, och en bas som ett ämne som bildar hydroxidjoner (OH - ) joner. H + -jonerna - som helt enkelt är protoner - är för reaktiva för att existera i en vattenlösning och förenas med vattenmolekyler för att bilda hydronium (H3O + ) joner. Arrhenius definition visade sig vara mycket användbar och täcker de flesta föreningar som ofta betraktas som syror. Till exempel tillhandahåller saltsyra, en lösning av gasvätekloriden i vatten, H + -joner som bildar hydroniumjoner i lösning: HCl + H20 → H3O + + Cl - . Denna definition förblev standarden fram till långt in på 1900-talet och används fortfarande ofta idag.
Ett avgörande kännetecken för alla syror är att de neutraliserar baser för att producera salter. Ett exempel är reaktionen av saltsyra med natriumhydroxid (NaOH) för att producera natriumklorid och vatten (H20): H3O + Cl - + Na + OH - → Na + Cl - + H20. H + -joner som tillhandahålls av saltsyran har kombinerats med OH-jonerna som tillhandahålls av natriumhydroxiden för att producera vatten, medan Na + och Cl-jonerna har kombinerats för att producera salt i enlighet med Arrhenius teori; liknande reaktioner kan emellertid uppstå mellan föreningar som inte passar Arrhenius-definitionerna av syror och baser. Till exempel kan gasformig väteklorid reagera med gasformig ammoniak för att bilda saltammoniumklorid: HCl + NH3 → NH4 + Cl-. Två föreningar har kombinerats för att bilda ett salt, men eftersom de inte är i lösning finns det inga H + eller OH - joner närvarande, så reaktanterna kvalificerar inte som en syra och en bas enligt Arrhenius.
1923 kom två kemister - Johaness Bronsted och Thomas Lowry - självständigt med en ny definition. De föreslog att en syra var en protondonator och en bas en protonacceptor. Vid en syrabasreaktion tillhandahåller syran en proton, eller H + -jon, till basen; emellertid behöver ingen av reaktanterna vara i lösning, med H + eller OH - joner som faktiskt finns före reaktionen. Denna definition inkluderar alla Arrhenius-syror och baser, men förklarar också kombinationen av gasformig väteklorid och ammoniak som en syrabasreaktion: den kovalenta vätekloriden har tillhandahållit en proton till ammoniaken för att bilda en ammonium (NH4 + ) -jon, som bildar en jonisk förening med Cl-jonen.
Den amerikanska kemisten Gilbert N. Lewis föreslog också 1923 ett utökat begrepp av syror och baser som elektronparparacceptorer respektive givare. Genom denna definition involverar en syrabasreaktion reaktanterna som bildar en koordinatbindning - en kovalent bindning där båda de delade elektronerna kommer från samma atom - med elektronerna som kommer från basen. I HCl – NaOH-reaktionen som beskrivs ovan accepterar H + -jon som tillhandahålls av HCl ett elektronpar från OH-jonen som tillhandahålls av NaOH för att bilda vatten.
Enligt denna teori är därför en Lewis-bas en förening som har ett obundat elektronpar tillgängligt för bindning. Lewis-syrastrukturen är sådan att den kan uppnå en stabil konfiguration genom att bilda en koordinatbindning med en Lewis-bas. Baserna behöver inte innehålla hydroxidjoner eller acceptera protoner, och en Lewis-syra behöver inte innehålla väte eller donera protoner. Lewis-syradefinitionen inkluderar alla Arrhenius- och Bronsted-Lowry-syror och också många ämnen som inte uppfyller Bronsted-Lowry- eller Arrhenius-kriterierna.
Ett bra exempel på en sådan substans är bortrifluorid (BF 3 ). I denna förening har bor, som normalt har tre elektroner i sitt yttre skal, bildat kovalenta bindningar och delar ett elektronpar med var och en av de tre fluoratomerna. Även om föreningen är stabil har den plats för ytterligare två elektroner i sitt yttre skal. Det kan alltså bilda en koordinatbindning med en elektronpardonator - med andra ord en bas.
Till exempel kan den kombineras med ammoniak (NH3), som har en kväveatom med ett obundat elektronpar, eftersom tre av de fem elektronerna i kvävans yttre skal är i kovalenta bindningar med de tre väteatomerna. Kombinationen av bortrifluorid och ammoniak är således som följer: BF 3 +: NH 3 → BF 3 : NH3 - “:” representerar elektronparet från ammoniakens kväveatom. Bortrifluorid uppför sig således som en Lewis-syra och ammoniak som en bas.