Kwasy i zasady

Definicje kwasów i zasad Lewisa

W 1923 roku GN Lewis zaproponował inny sposób spojrzenia na związek między jonami H + i OH- . W modelu Brnsteda jon OH- jest związkiem aktywnym w tej reakcji , w którym przyjmuje jon H +, tworząc wiązanie kowalencyjne. W modelu Lewisa jon H + jest aktywnym gatunkiem, który przyjmuje parę elektronów z jonu OH-, tworząc wiązanie akowalencyjne.

W Lewis teoria reakcji kwasowo-zasadowych, zasady oddają pary elektronów, a kwasy przyjmują pary elektronów. Kwas Lewisa to zatem każda substancja, taka jak jon H +, która może przyjąć parę niezwiązanych elektronów. Innymi słowy, kwas Lewisa jest akceptorem par elektronów. Zasada Lewisa to dowolna substancja, na przykład jon OH-, która może przekazać parę niezwiązanych elektronów. Zasada Lewisa jest zatem donorem par elektronów.

Jedną z zalet teorii Lewisa jest sposób, w jaki uzupełnia ona model reakcji utleniania-redukcji. Reakcje utleniania-redukcji obejmują przeniesienie elektronów z jednego atomu na drugi, z wypadkową zmianą stopnia utlenienia jednego lub więcej atomów.

Teoria Lewisa sugeruje, że kwasy reagują z zasadami, dzieląc parę elektronów, bez zmiany stopnia utlenienia żadnego z atomów. Wiele reakcji chemicznych można podzielić na jedną lub drugą z tych klas. Albo elektrony są przenoszone z jednego atomu do drugiego, albo atomy łączą się, tworząc parę elektronów.

Główną zaletą teorii Lewisa jest sposób, w jaki rozszerza liczbę kwasów, a tym samym liczbę reakcji kwasowo-zasadowych. . W teorii Lewisa kwasem jest jakikolwiek jon lub cząsteczka, która może przyjąć parę niezwiązanych elektronów walencyjnych. W poprzedniej sekcji stwierdziliśmy, że jony Al3 + łączą się z sześcioma cząsteczkami wody, tworząc jon złożony.

Al3 + (aq) + 6 H2O (l) Al (H2O) 63 + (aq)

To jest przykład reakcji kwas-zasada Lewisa. Struktura Lewisa wody sugeruje, że ta cząsteczka ma niepowiązane pary elektronów walencyjnych i dlatego może działać jako zasada Lewisa. Konfiguracja elektronowa jonu Al3 + sugeruje, że jon ten ma puste 3s, 3p i 3-orbitale, które mogą być użyte do przechowywania par niezwiązanych elektronów. przez sąsiednie cząsteczki wody.

Al3 + = 3s0 3p03d0

Zatem jon Al (H2O) 63+ jest tworzony, gdy jon Al3 + działający jako kwas Lewisa odbiera sześć par elektronów z sąsiedniego cząsteczki wody działające jak zasady Lewisa, tworząc kompleks kwasowo-zasadowy lub cerę.

Teoria kwasowo-zasadowa Lewisa wyjaśnia, dlaczego BF3 reaguje z amoniakiem. BF3 jest cząsteczką w płaszczyźnie trygonalnej, ponieważ elektrony można znaleźć tylko w trzech miejscach w powłoce walencyjnej atomu boru. W rezultacie atom boru ulega hybrydyzacji sp2, co pozostawia pusty 2pzorbital na atomie boru. BF3 może zatem działać jako akceptor par elektronów lub kwas Lewisa. Może użyć pustego 2pzorbitalu do odebrania pary niezwiązanych elektronów z bazy Lewisbase w celu utworzenia wiązania kowalencyjnego. Dlatego BF3 reaguje z zasadami Lewisa, takimi jak NH3, tworząc kompleksy kwasowo-zasadowe, w których wszystkie atomy mają wypełnioną powłokę elektronów walencyjnych, jak pokazano na poniższym rysunku.

Teoria kwasowo-zasadowa Lewisa może być również użyta do wyjaśnienia, dlaczego tlenki metali, takie jak CO2, rozpuszczają się w wodzie do mrówczaków, takich jak jako kwas węglowy H2CO3.

CO2 (g) + H2O (l) H2CO3 (aq)

W trakcie tej reakcji , cząsteczka wody działa jako donor par elektronów lub zasada Lewisa. Akceptor pary elektronów to atom węgla w CO2. Kiedy atom węgla podniesie parę elektronów z cząsteczki wody, nie musi już tworzyć podwójnych wiązań z obydwoma innymi atomami tlenu, jak pokazano na poniższym rysunku.

Jeden z atomów tlenu w półprodukcie utworzony po dodaniu wody do CO2 ma ładunek dodatni; inny niesie ładunek ujemny. Po przeniesieniu jonu H + z jednego z tych atomów tlenu na drugi, wszystkie atomy tlenu w związku są elektrycznie obojętne. Wynik netto reakcji między CO2 i wodą to zatem kwas węglowy, H2CO3.