مفهوم اسید و باز لوئیس و واکنش ها

در این مقاله به طور ویژه به بررسی اسید و باز لوئیس (Lewis acids and bases) پرداخته می شود و این دسته از مواد با جزئیات بیشتری بیان می گردند.

بر طبق نظریه لوئیس، اسید ماده ای است که اوربیتال خالی دارد، بنابراین یک جفت الکترون می پذیرد. در حالی که باز لوئیس ماده ای است که جفت الکترون تنها دارد، بنابراین جفت الکترون را در واکنش از دست می دهد.

در واقع در نظریه لوئیس در هنگام تعریف مفهوم اسید و باز، به جای استفاده از انتقال پروتون از انتقال الکترون ها بهره می برد. در این مقاله اسید و باز لوئیس بیان می شوند. در ادامه با ما همراه باشید.

در جهان انواع مختلف مواد شیمیایی وجود دارد. تعدادی از آنها دارای خاصیت اسیدی و تعدادی دیگر دارای خاصیت بازی می باشند. تعریف های مختلفی برای اسید و باز وجود دارد، که از جمله آنها می توان به تعاریف آرنیوس و برونستد - لوری اشاره کرد.

تا پیش از سال 1923، نظریه برونستد لوری درباره اسیدها و بازها کاربرد بسیاری برای شیمیدانان داشت. این نظریه در واقع شکل تعمیم یافته ای از نظریه آرنیوس درباره اسید و باز می باشد. اما از آنجایی که در این نظریه از انتقال پروتون استفاده می شد، در برخی موارد همچون جامدات و گازها کارایی لازم را نداشت. علاوه بر آن این نظریه در واکنش هایی که در آنها هیدروژن مبادله نمی شد نیز کارایی نداشت.

بنابراین نظریه لوئیس، اولین بار توسط دانشمند آمریکایی گیلبرت لوویس (Gilbert Lewis) در سال 1923 ارائه شد و تا سال 1938 توسط وی گسترش یافت و تکمیل شد. تعریف لوئیس بر اساس گرفتن و دادن جفت الکترون پیشنهاد شده است و به خاطر سادگی، بیش از تمام تعاریف دیگر به ویژه در واکنش های آلی مورد استفاده قرار گرفت.

بر طبق نظریه لوئیس، واکنش بین اسید و باز سبب ایحاد پیوند کووالانسی (پیوند داتیو) بین آنها می شود. در واقع اسید لوئیس ذره ای است الکتروفیل یا الکترون دوست که جفت الکترون را دریافت می کند و باز لوئیس ذره ای است نوکلئوفیل که جفت الکترون را اهدا می کند.

در واقع می توان گفت اسید ماده ای است که در یک واکنش شیمیایی پیوند داتیو می پذیرد، در حالی که باز ماده ای است که در یک واکنش شیمیایی پیوند داتیو می دهد. توجه داشته باشید که به گونه اسید-باز پیوند شده، adduct یا addition product گفته می شود که در حقیقت یک ترکیب کمپلکسی یا کئوردیناسیونی نام می باشد.

اوربیتال های HOMO و LUMO:
لازم به ذکر است که، هر دو اسید و باز لوئیس دارای اوربیتال های اشغال شده و یا خالی می باشند. اما در واقع پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) اسید لوئیس با بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (HOMO) باز لوئیس واکنش می دهد تا اوربیتال های مولکولی متصل به هم را ایجاد کنند.

باز لوئیس به دلیل داشتن جفت الکترون تنها، تراز انرژی بالاتر را اشغال می کنند، در حالی که اسید لوئیس به دلیل داشتن اوربیتال های خالی، در تراز انرژی پایین تری قرار می گیرند.

اسید لوییس:
همانطور که بیان شد اسید لوئیس اتم، مولکول یا یونی است که در لایه والانس خود اوربیتال خالی مستعد برای پذیرش یک جفت الکترون تنها را دارد یا حداقل بتواند یک جفت الکترون جذب کند. در این صورت می تواند پذیرنده الکترون باشد. برخی از موارد اسید لوئیس در زیر لیست شده است.

• 1- تمامی کاتیون ها اسید لوئیس محسوب می شوند مانند +Fe3 و یا +Cu2.
• 2- اتم، یون یا مولکولی که آرایش الکترونی نا کامل اکتت دارد می تواند به عنوان اسید لوئیس رفتار کند، مانند مولکول های BF3 و یا AlF3.
• 3- مولکول هایی که اتم مرکزی در آنها بتواند بیش از هشت الکترون در لایه ظرفیت داشته باشد، به عنوان مثال مولکول های SiBr4 و یا SiF4.
• 4- مولکول هایی که پیوند کووالانسی چندگانه بین دو اتم با الکترونگاتیویته متفاوت تشکیل می دهند، مثلا مولکول های CO2 و یا SO2.

باز لوییس:
اتم، یون یا مولکولی که در لایه والانس خود یک جفت الکترون تنها داشته باشد یا حداقل بتواند جفت الکترون غیر پیوندی لایه ظرفیت خود را واگذار کند می تواند به عنوان باز لوئیس عمل کند. مثلا هر یک مولکول های OH- , CH3COO- ,CN− ,NH3 ,H2O ,CO می توانند الکترون های تنهای خود را در اختیار یک اسید بگذارند.

مثال از واکنش های اسید و باز لوئیس:
به عنوان مثال واکنش بین مولکول های آمونیاک و تری فلورید بور را در نظر بگیرید. بر اساس نظریه لوئیس، مولکول آمونیاک یک باز لوئیس است، زیرا یک جفت الکترون ناپیوندی دارد. از طرفی دیگر، مولکول BF3 یک اسید لوئیس است، زیرا یک اوربیتال خالی در لایه ظرفیت خود دارد. بنابراین مولکول NH3 می تواند جفت الکترون غیر پیوندی خود را بر طبق واکنش زیر به مولکول BF3 واگذار کند.

برای درک بهتر موضوع، واکنش های زیر را در نظر بگیرید:

• -H- + BH3 → H-BH3- → [BH4]
• -F- + BF3 → F--BF3 → [BF4]
• -2F- + BeF2 → [BeF4]2
• -Cl- + AlCl3 → Cl-AlCl3- → [AlCl4]

بنابراین بر طبق توضیحات، یون های -H-، F و -Cl باز لوویس و مولکول های BH3، BF3، BeF2 و AlCl3 اسید های لوییس می باشند.

ایرادات نظریه اسید و باز لوئیس:
با اینکه نظریه اسید و باز لوئیس ایرادات نظریه های اسید و باز آرنیوس و برونستد - لوری را ندارد و می تواند واکنش های بین اسید و باز را به خوبی توجیه نماید، اما متاسفانه ایراداتی نیز دارد که عبارتند از:

• 1- نظریه لوویس دلیل موجهی برای قدرت نسبی اسید و باز نمی تواند ارائه دهد، زیرا بر اساس یونش بنا نشده است.
• 2- همانطور که می دانید، واکنش بین اسید و باز یک واکنش انتقال الکترون می باشد، پس باید کاملا سریع باشد. اما بسیاری از واکنش های اسید و باز به صورت کند و با سرعت پایین انجام می شوند.