15.14
Acidi e basi di Lewis
Nel 1923, G. N. Lewis propose una definizione generalizzata del comportamento acido-base in cui gli acidi e le basi sono identificati dalla loro capac…
Il modello di Brønsted-Lowry definisce gli acidi e le basi in termini di protoni, dove gli acidi sono donatori di protoni, e le basi sono accettori di protoni. D'altro canto, il modello di Lewis definisce acidi e basi in termini di coppie di elettroni, dove gli acidi di Lewis sono accettori di coppie di elettroni, e le basi di Lewis sono donatrici di coppie di elettroni. In un acido di Brønsted, come l'acido acetico, l'idrogeno può anche agire come un acido di Lewis perché ha un orbitale libero per accettare gli elettroni donati da una base, come l'acqua, che agisce come una base di Lewis.
Il vantaggio del modello di Lewis è che consente agli scienziati di classificare un numero maggiore di composti come acidi compresi quelli che non hanno protoni ionizzabili. Per esempio, il trifluoruro di boro non può essere classificato come acido dal modello Brønsted-Lowry perché non contiene idrogeno. Tuttavia, il trifluoruro di boro possiede un ottetto incompleto con un orbitale vuoto, che può accettare una coppia di elettroni da una base di Lewis, come l'ammoniaca, e, quindi, può agire come un acido di Lewis.
Il prodotto risultante formato da tali reazioni acido-base di Lewis è detto addotto acido-base di Lewis. Alcune molecole, come l'anidride carbonica, possono riorganizzare i loro elettroni per agire come un acido di Lewis. Per esempio, nella reazione fra acqua e anidride carbonica, una coppia di elettroni si sposta dal legame pi carbonio-ossigeno all'ossigeno terminale dell'anidride carbonica.
Il risultante orbitale vuoto sull'atomo di carbonio gli consente di accettare la coppia di elettroni da una molecola d'acqua e di agire come un acido di Lewis. Quando la molecola d'acqua dona la coppia di elettroni, agisce come una base di Lewis. In un ulteriore riarrangiamento, un protone viene trasferito dall'ossigeno dell'acqua all'ossigeno terminale dell'anidride carbonica, determinando la formazione dell'addotto dell'acido carbonico.
Piccoli cationi metallici, come Al possono riacquisire coppie di elettroni e agire come acidi di Lewis. Per esempio, Al accetta coppie solitarie di elettroni dall'acqua e forma ioni esaaquaalluminio. Qui, le molecole d'acqua donano coppie di elettroni e agiscono come una base di Lewis.
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Q1: How do Lewis acids and bases differ from Brønsted-Lowry acids and bases?
The Brønsted-Lowry model defines acids as proton donors and bases as proton acceptors. The Lewis model defines acids as electron-pair acceptors and bases as electron-pair donors. Lewis theory is broader, classifying more compounds as acids, including those without ionizable protons. Brønsted-Lowry acid-base reactions represent a subcategory of Lewis reactions where the acid is specifically H+.
Q2: Why is boron trifluoride considered a Lewis acid?
Boron trifluoride cannot be classified as a Brønsted-Lowry acid because it lacks hydrogen. However, the boron atom has only six electrons in its valence shell, creating an incomplete octet with an empty orbital. This empty orbital accepts electron pairs from Lewis bases like ammonia, allowing boron trifluoride to act as a Lewis acid.
Q3: What is a Lewis acid-base adduct?
A Lewis acid-base adduct is the product formed when a Lewis acid accepts an electron pair from a Lewis base, creating a coordinate covalent bond. In this bond, one atom provides both bonding electrons. For example, when ammonia donates an electron pair to a hydrogen ion, the resulting ammonium ion is a Lewis acid-base adduct.
Q4: How can carbon dioxide act as a Lewis acid?
Carbon dioxide can rearrange its electrons to act as a Lewis acid. An electron pair moves from the carbon-oxygen pi bond to the terminal oxygen, creating an empty orbital on the carbon atom. This empty orbital then accepts an electron pair from a water molecule, which acts as a Lewis base, forming carbonic acid.
Q5: What role do metal cations like Al(III) play in Lewis acid-base chemistry?
Small metal cations like Al(III) act as Lewis acids by accepting electron pairs from Lewis bases. For example, Al(III) accepts lone pairs of electrons from water molecules, which donate electron pairs and act as Lewis bases. This interaction forms hexaaquaaluminum ions, demonstrating how metal cations participate in coordinate covalent bonding.
Q6: What is a coordinate covalent bond?
A coordinate covalent bond, also called a dative bond, forms when one atom provides both bonding electrons to the bond. This occurs in Lewis acid-base reactions when a Lewis base donates an electron pair to a Lewis acid. Examples include water combining with a hydrogen ion to form a hydronium ion.
Q7: How does the Lewis model expand the definition of acids beyond the Brønsted-Lowry model?
The Lewis model allows scientists to classify a greater number of compounds as acids, including those without ionizable protons. Any compound with an empty orbital that can accept an electron pair qualifies as a Lewis acid. This broader definition encompasses nonmetal oxides, metal cations, and other electron-deficient species that the Brønsted-Lowry model cannot classify as acids.