Τι είναι ένα Lewis Acid;

Ο όρος Lewis acid πήρε το όνομά του από τον Αμερικανό χημικό Gilbert N. Lewis. Οι πρώτοι χημικοί αναγνώρισαν ένα οξύ ως ουσία με ξινή γεύση που αντιδρά με ορισμένα μέταλλα και που εξουδετερώνει τις βάσεις ή τα αλκάλια, παράγοντας ένα αλάτι. Από τα τέλη του 19ου αιώνα, ωστόσο, έχουν γίνει προσπάθειες να οριστούν τα οξέα και οι βάσεις με έναν πιο αυστηρό τρόπο, που εξηγεί τι πραγματικά συμβαίνει σε μια αντίδραση οξέος-βάσης. Ο ορισμός του Lewis είναι ο ευρύτερος ορισμός.

Το 1883, ο Σουηδός χημικός Svante Arrhenius όρισε ένα οξύ ως μια ουσία που σχηματίζει ιόντα υδρογόνου (Η+) σε υδατικό διάλυμα και μια βάση ως ουσία που σχηματίζει ιόντα υδροξειδίου (ΟΗ-). Τα ιόντα Η+ – που είναι απλά πρωτόνια – είναι πολύ αντιδραστικά για να υπάρχουν σε ένα υδατικό διάλυμα και συνδέονται με μόρια νερού για να σχηματίσουν ιόντα υδρονίου (H3O+). Ο ορισμός του Arrhenius αποδείχθηκε πολύ χρήσιμος και καλύπτει τις περισσότερες από τις ενώσεις που συνήθως θεωρούνται οξέα. Για παράδειγμα, το υδροχλωρικό οξύ, ένα διάλυμα του αερίου υδροχλωρίου στο νερό, παρέχει ιόντα Η+ που σχηματίζουν ιόντα υδρονίου στο διάλυμα: HCl + H2O → H3O+ + Cl-. Αυτός ο ορισμός παρέμεινε το πρότυπο μέχρι και τον 20ο αιώνα και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται συχνά σήμερα.

Ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό όλων των οξέων είναι ότι εξουδετερώνουν τις βάσεις για να παράγουν άλατα. Ένα παράδειγμα είναι η αντίδραση του υδροχλωρικού οξέος με το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) για την παραγωγή χλωριούχου νατρίου και νερού (H2O): H3O+Cl- + Na+OH- → Na+Cl- + H2O. Εδώ, τα ιόντα Η+ που παρέχονται από το υδροχλωρικό οξύ έχουν συνδυαστεί με τα ιόντα ΟΗ- που παρέχονται από το υδροξείδιο του νατρίου για να παράγουν νερό, ενώ τα ιόντα Na+ και Cl- έχουν συνδυαστεί για να παράγουν αλάτι, σύμφωνα με τη θεωρία του Arrhenius. Ωστόσο, παρόμοιες αντιδράσεις μπορούν να συμβούν μεταξύ ενώσεων που δεν ταιριάζουν με τους ορισμούς Arrhenius για οξέα και βάσεις. Για παράδειγμα, το αέριο υδροχλώριο μπορεί να αντιδράσει με την αέρια αμμωνία για να σχηματίσει το άλας χλωριούχου αμμωνίου: HCl + NH3 → NH4+Cl-. Δύο ενώσεις έχουν συνδυαστεί για να σχηματίσουν ένα άλας, αλλά επειδή δεν βρίσκονται σε διάλυμα, δεν υπάρχουν ιόντα Η+ ή ΟΗ-, επομένως τα αντιδρώντα δεν χαρακτηρίζονται ως οξύ και βάση σύμφωνα με τον Arrhenius.

Το 1923, δύο χημικοί – ο Johaness Bronsted και ο Thomas Lowry – κατέληξαν ανεξάρτητα σε έναν νέο ορισμό. Πρότειναν ότι ένα οξύ ήταν δότης πρωτονίων και μια βάση δέκτης πρωτονίων. Σε μια αντίδραση οξέος-βάσης, το οξύ παρέχει ένα πρωτόνιο, ή ιόν Η+, στη βάση. Ωστόσο, κανένα από τα αντιδρώντα δεν χρειάζεται να βρίσκεται σε διάλυμα, με ιόντα Η+ ή ΟΗ- να υπάρχουν στην πραγματικότητα πριν από την αντίδραση. Αυτός ο ορισμός περιλαμβάνει όλα τα οξέα και τις βάσεις Arrhenius, αλλά εξηγεί επίσης τον συνδυασμό αερίου υδροχλωρίου και αμμωνίας ως αντίδραση οξέος-βάσης: το ομοιοπολικό υδροχλώριο παρείχε ένα πρωτόνιο στην αμμωνία για να σχηματίσει ένα ιόν αμμωνίου (NH4+), το οποίο σχηματίζει ένα ιοντική ένωση με το ιόν Cl-.

Ο Αμερικανός χημικός Gilbert N. Lewis πρότεινε, επίσης, το 1923, μια εκτεταμένη έννοια των οξέων και των βάσεων ως δέκτες και δότες ζευγών ηλεκτρονίων, αντίστοιχα. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, μια αντίδραση οξέος-βάσης περιλαμβάνει τα αντιδρώντα που σχηματίζουν έναν συντεταγμένο δεσμό – έναν ομοιοπολικό δεσμό όπου και τα δύο κοινά ηλεκτρόνια προέρχονται από το ίδιο άτομο – με τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από τη βάση. Στην αντίδραση HCl–NaOH που περιγράφεται παραπάνω, το ιόν Η+ που παρέχεται από το HCl δέχεται ένα ζεύγος ηλεκτρονίων από το ιόν ΟΗ- που παρέχεται από το NaOH για να σχηματίσει νερό.

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, επομένως, μια βάση Lewis είναι μια ένωση που έχει ένα μη δεσμευμένο ζεύγος ηλεκτρονίων διαθέσιμο για σύνδεση. Η δομή του οξέος Lewis είναι τέτοια που μπορεί να επιτύχει μια σταθερή διαμόρφωση σχηματίζοντας έναν δεσμό συντεταγμένων με μια βάση Lewis. Οι βάσεις δεν χρειάζεται να περιέχουν ιόντα υδροξειδίου ή να δέχονται πρωτόνια και ένα οξύ Lewis δεν χρειάζεται να περιέχει υδρογόνο ή πρωτόνια δωρεάς. Ο ορισμός του οξέος Lewis περιλαμβάνει όλα τα οξέα Arrhenius και Bronsted-Lowry καθώς και πολλές ουσίες που δεν πληρούν τα κριτήρια Bronsted-Lowry ή Arrhenius.
Ένα καλό παράδειγμα μιας τέτοιας ουσίας είναι το τριφθοριούχο βόριο (BF3). Σε αυτή την ένωση, το βόριο, το οποίο κανονικά έχει τρία ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του περίβλημα, έχει σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς, που μοιράζονται ένα ζεύγος ηλεκτρονίων με καθένα από τα τρία άτομα φθορίου. Αν και η ένωση είναι σταθερή, έχει χώρο για άλλα δύο ηλεκτρόνια στο εξωτερικό της περίβλημα. Μπορεί έτσι να σχηματίσει έναν δεσμό συντεταγμένων με έναν δότη ζεύγους ηλεκτρονίων — με άλλα λόγια, μια βάση.

Για παράδειγμα, μπορεί να συνδυαστεί με την αμμωνία (NH3), η οποία έχει ένα άτομο αζώτου με ένα μη δεσμευμένο ζεύγος ηλεκτρονίων, καθώς τρία από τα πέντε ηλεκτρόνια στο εξωτερικό περίβλημα του αζώτου βρίσκονται σε ομοιοπολικούς δεσμούς με τα τρία άτομα υδρογόνου. Ο συνδυασμός τριφθοριούχου βορίου και αμμωνίας είναι επομένως ο εξής: BF3 + :NH3 → BF3:NH3 — το «:» αντιπροσωπεύει το ζεύγος ηλεκτρονίων από το άτομο αζώτου της αμμωνίας. Το τριφθοριούχο βόριο συμπεριφέρεται επομένως ως οξύ Lewis και η αμμωνία ως βάση.