اسید لوییس گونه‌ای است که گیرنده الکترون می‌باشد. در علم شیمی اسید و باز لوییس دو مفهوم بسیار مهم و حیاتی هستند. باز لوییس نیز گونه‌ای است که دهنده الکترون می‌باشد. طبق نظریه لوییس اسید ماده‌ای است که اوربیتال خالی دارد پس یک جفت الکترون می‌پذیرد. باز لوییس نیز ماده‌ای است که جفت الکترون تنها دارد؛ بنابراین در واکنش جفت الکترون را از دست می‌دهد. موقع تعریف اسید و باز در نظریه لوییس، به‌جای استفاده از انتقال پروتون از انتقال الکترون استفاده می‌شود.
اسید لوییس چیست
برای شناخت اسید لویس و انواع آن باید مبنای تشخیص این خانواده از ترکیبات را مورد بررسی قرار دهیم. بر خلاف تعاریف دیگر مبنای تشخیص اسید لوییس، الکترون‌ها هستند. بر طبق این تعریف، اسید گونه‌ای است که پذیرنده زوج الکترون می‌باشد. به طور دقیق‌تر میتوان آن‌ها را به این صورت تعریف کرد:
- اسید لوییس: گونه‌ای که پذیرنده زوج الکترون می‌باشد؛ مانند یک الکترون‌دوست و دارای اوربیتال با ظرفیت خالی است.
- باز لوییس: گونه‌ای که دهنده زوج الکترون می‌باشد؛ مانند هسته‌دوست و دارای زوج الکترون تنها است.
واکنش بین اسید و باز لوییس منجر به تولید یک پیوند کوئوردینه کووالانسی می‌شود. این پیوند از نوع کووالانسی است که در آن یکی از اجزای واکنش‌دهنده زوج الکترون خود را به جز دیگر می‌دهد. در این مورد باز لوییس الکترون خود را به اسید لوییس داده و نتیجه آن این دو را فراورده افزایشی می‌نامند. مکانیسم این واکنش را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، فلش سبز برای انتقال الکترون بین دو گونه مختلف را در واکنش نشان می‌دهد.
نحوه تهیه مواد شیمیایی و لوازم آزمایشگاهی
امروزه بیش از 5000 نوع مواد شیمیایی در دنیا وجود دارد که در کشور ما نیز به دلیل تحریم‌ها نوع تقلبی این مواد به‌وفور در بازار وجود دارد؛ لذا تشخیص نمونه اصل از تقلبی امری دشوار است که نیاز به شناخت و تجربه کافی دارد. شما برای تهیه مواد آزمایشگاهی، شیمیایی و لوازم آزمایشگاهی نیاز به یک تأمین‌کننده معتبر دارید. مجموعه تارا طب بیش از ده سال سابقه فعالیت در زمینه واردات و تأمین مواد اولیه شیمیایی و لوازم و تجهیزات آزمایشگاهی دارد بر همین اساس می‌تواند محصول موردنظر شما را با بالاترین کیفیت، نازل‌ترین قیمت، ارسال به‌موقع و ضمانت اصالت کالا در اختیارتان قرار دهد. شما می‌توانید جهت استعلام موجودی، قیمت و خرید از طریق راه‌های ارتباطی موجود در سایت تارا مدرن طب تجهیز با مشاورین فروش ما به‌صورت مستقیم در ارتباط باشید.
تاریخچه اسید لوییس
در جهان انواع مختلفی مواد شیمیایی وجود دارد که تعدادی از آن‌ها دارای خاصیت اسیدی و تعدادی دارای خاصیت بازی هستند. تعاریف مختلفی نیز برای اسید و باز وجود دارد که از جمله آن‌ها میتوان به تعاریف برونستد – لوری و آرنیوس اشاره کرد. تا قبل از سال 1923 نظریه برونستد لوری در مورد اسیدها و بازها کاربرد زیادی برای دانشمندان داشت. در واقع این نظریه شکل تعمیم یافته نظریه آرنیوس در مورد اسید و باز است. از آنجایی که در این نظریه از انتقال پروتون استفاده می‌شد در بعضی موراد مانند جامدات و گازها کارایی نداشت. به علاوه این نظریه در واکنش‌هایی که در آن‌ها هیدروژن مبادله نمی‌شد نیز کارایی نداشت.
بر همین اساس اولین بار در سال 1923 نظریه لوییس توسط دانشمند آمریکایی گیلبرت لوویس ارائه شد و تا سال 1938 توسط او گسترش و تکمیل شد. تعریف لوییس بر اساس دادن و گرفتن جفت الکترون ارائه شده و به دلیل سادگی بیش از تمام تعاریف دیگر به‌خصوص در واکنش‌های آلی به کار برده شد. واکنش بین اسید و باز طبق نظریه لوییس منجر به ایجاد پیوند کووالانسی (پیوند داتیو) در بین آن‌ها شد.
در حقیقت اسید لوییس ذره‌ای است الکتروفیل یا الکترون‌دوست که جفت الکترون را دریافت می‌نماید و باز لوییس ذره‌ای است نوکلئوفیل که جفت الکترون را اهدا می‌کند. در واقع میتوان این گونه تعریف کرد که اسید ماده‌ای است که در یک واکنش پیوند داتیو می‌پذیرد و باز ماده‌ای است که در یک واکنش پیوند داتیو می‌دهد. توجه نمایید که به گونه اسید – باز پیوند شده adduct یا addition product می‌گویند که در واقع یک ترکیب کمپلکسی یا کئوردیناسیونی است.
اسید و باز آرنیوس
نظریه اسید و باز آرنیوس اولین نظریه‌ای بود که در قرن نوزدهم جهت طبقه‌بندی اسید و باز ارائه شد. بر طبق آن اسیدها در محلول آبی پروتون و بازها در محلول آبی یون هیدروکسید را تولید می‌کنند. تصویر این نظریه در دو واکنش بالا نشان‌داده‌شده است. اشکال در این نظریه زمانی مشخص می‌شود که مولکولی با اسید وارد واکنش می‌شود و خاصیت بازی دارد؛ ولی فاقد یون هیدروکسید است. به‌عنوان‌مثال واکنش زیر را در نظر بگیرید، در این واکنش جوش‌شیرین با اسید وارد واکنش می‌شود. با درنظرگرفتن عدم پاسخگویی این نظریه در بعضی موارد مانند این واکنش، نظریه لوری – برونستد جهت داشتن تعریفی جامع‌تر و بهتر از مفهوم اسید و باز ارائه شد.
نظریه اسید و باز برونستد
این نظریه در علم شیمی بسیار پر کاربرد بوده است بااین‌حال به دلیل محدودیت‌هایی که دارد امروزه مورد استقبال دانشمندان قرار نمی‌گیرد. طبق این نظریه اسیدها و بازها گیرنده و دهنده پروتون هستند. این محدودیت کارایی موجب محدود بودن نظریه اسید و باز برونستد می‌شود، به‌عنوان‌مثال نمی‌توان از آن در مورد مواد به شکل فیزیکی جامد و گاز استفاده کرد. با درنظرگرفتن این توضیحات می‌فهمیم که این نظریه کامل نیست، هر چند به نسبت نظریه آرنیوس مزیت‌هایی دارد؛ ولی برای رفع نواقص آن نظریه اسید و باز لوییس مطرح شد.
شباهت نظریه اسید لوییس با لوری – برونستد
پروتون‌ها ذراتی با بار مثبت هستند و هیدروکسید دارای باز منفی است؛ بنابراین میتوان آن‌ها را مانند زیر با دو علامت مثبت و منفی نشان داد. از این نظر در این دو نظریه شباهت وجود دارد. همچنین بازهای لوییس فراهم آورنده الکترون بوده و آن را در اختیار گونه اسیدی می‌گذارند.
اوربیتال‌های LUMO و HOMO
هر دو اسید و باز لوییس دارای اوربیتال‌های اشغال شده و یا خالی هستند؛ ولی در واقع پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) اسید لوییس با بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (HOMO) باز لوییس واکنش داده تا اوربیتال‌های مولکولی متصل‌به‌هم را ایجاد کنند. باز لوییس دارابودن جفت الکترون تنها، تراز انرژی بالاتر را اشغال می‌کند و اسید لوییس به دلیل داشتن اوربیتال‌های خالی در تراز انرژی پایین‌تر قرار می‌گیرد.
برخی موارد اسید لوییس
همان‌طور که ذکر شد اسید لوییس اتم، مولکول یا یونی است که در لایه والانس خود اوربیتال خالی مستعد پذیرش یک جفت الکترون تنها دارد یا حداقل بتواند یک جفت الکترون جذب کند. در این صورت است که می‌تواند پذیرنده الکترون باشد. در لیست زیر برخی از موارد اسید لوییس بیان شده است.
- همه کاتیون‌ها مانند Fe3+ و یا Cu2+ اسید لوییس حساب می‌شوند.
- اتم، یون یا مولکولی که آرایش الکترونی ناکامل اکتت دارد؛ مانند مولکول‌های BF3 و یا AIF3 می‌تواند به‌عنوان اسید لوییس عمل کند.
- مولکول‌هایی که اتم مرکزی آن‌ها بتواند بیش از 8 الکترون در لایه ظرفیت خود داشته باشد؛ مانند مولکول‌های SiBr4 و یا SiF4.
- مولکول‌هایی که پیوند کووالانسی چندگانه بین دو اتم با الکترونگاتیویته متفاوت تشکیل می‌دهند از قبیل مولکول‌های CO2 و یا SO2.
باز لوییس چیست
مولکول، اتم یا یونی که یک جفت الکترون تنها در لایه والانس خود داشته باشد یا حداقل بتواند جفت الکترون غیرپیوندی لایه ظرفیت خود را واگذار کند می‌تواند به‌عنوان باز لوییس عمل کند. به‌عنوان‌مثال هر یک از مولکول‌های CO، H2O، CN–، NH3، OH–، CH3COO– می‌توانند الکترون‌های تنهای خود را در اختیار یک اسید بگذارند.
واکنش اسید و باز لوییس
هنگامی که اسید با باز لوییس همراه می‌شود، بالاترین اوربیتال مولکول اشغال شده باز با پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده اسید واکنش داده و اوربیتال مولکولی پیوندی را به وجود می‌آورد. توجه کنید که هم باز هم اسید لوییس دارای هر دو اوربیتال LUMO و HOMO هستند؛ ولی فقط آن‌هایی را که در برهم‌کنش دخیل می‌باشند را بررسی می‌کنیم. تعداد زیادی از واکنش‌ها را میتوان به‌عنوان واکنش اسید و باز لوییس در نظر داشت، در واقع هر واکنشی که در آن جریان الکترون از جزئی به جز دیگر در جریان باشد در این دسته قرار می‌گیرد. ازآنجایی‌که اسید لوییس کمبود الکترون دارد به آن الکترون‌دوست می‌گویند و به باز لوییس نیز هسته‌دوست گفته می‌شود.
بااین‌حال بسیاری از این واکنش‌ها در دسته جامع‌تر واکنش‌ها جانشینی هسته دوستی طبقه‌بندی می‌شوند. در بعضی از واکنش‌های اسید و باز لوییس پیوندهایی از بین رفته و پیوندهای جدید به وجود می‌آیند. به مثال زیر توجه کنید، طبق آن پیوند دوگانه مانند باز لوییس عمل کرده و دهنده الکترون و اسید لوییس و HCl اسید لوییس می‌باشد. لازم به ذکر است که به دلیل ماهیت اجزای این واکنش میتوان آن را هم در دسته واکنش‌های اسید و باز لوییس، هم در واکنش‌های جانشینی هسته دوستی قرار داد.
به‌عنوان‌مثال واکنش بین مولکول‌های تری فلورید بور و آمونیاک را در نظر بگیرید. طبق نظریه لوییس مولکول آمونیاک باز لوییس است؛ زیرا دارای یک جفت الکترون ناپیوندی است. از طرفی مولکول BF3 می‌تواند طبق واکنش زیر جفت الکترون غیرپیوندی خود را به مولکول BF3 واگذار کند.
انواع اسید لوییس را بشناسید
طبق این دسته‌بندی اسید و باز لوییس بر اساس سختی و نرمی طبقه‌بندی می‌شوند.
- اسید و باز سخت: این دسته را به اتم‌هایی که کوچک و قطبش ناپذیر باشند می‌گویند. کاتیون فلزهای قلیایی و فلزهای قلیایی خاکی، بوران‌ها و کاتیون روی جزو اسیدهای سخت به شمار می‌روند. همچنین آب، آمین‌ها، آمونیاک، فلوئورید، کربوکسیلات و کلرید نیز جزو بازهای سخت هستند.
- اسید و باز نرم: به اتم‌های بزرگ‌تر که قطبش‌پذیری بیشتری دارند گفته می‌شود. کربن مونوکسید، یدید و تیواترها مثال‌های از بازهای نرم می‌باشند.
همچنین موارد دیگری وجود دارند، به‌عنوان‌مثال بازهایی که زوج الکترون اهدایی خود را از اتم اکسیژن می‌گیرند از بازهایی که زوج الکترون خود را از اتم نیتروژن می‌گیرند سخت‌تر می‌باشند. از این دسته‌بندی‌ها میتوان جهت پیش‌بینی درباره فراورده افزایشی حاصل از واکنش اسید و باز لوییس استفاده کرد، به‌علاوه میتوان در مورد خود واکنش‌ها نیز به اطلاعات مفیدی دست‌یافت. توجه نمایید که واکنش بین اسید نرم با باز نرو و اسید سخت با باز سخت بسیار قوی‌تر از واکنش بین اسید سخت با باز نرم و بالعکس است. همچنین برهم‌کنش سخت – سخت از نظر آنتروپی نامطلوب بوده درحالی‌که برهم‌کنش نرم – نرم آنتروپی مطلوبی دارد.
کاربرد اسید لوییس
به دلیل ویژگی‌هایی که اسیدهای لوییس دارند در زمینه‌های مختلفی به کار می‌روند. یکی از این موارد استفاده از آن در واکنش آلکیلاسیون فریدل کرافتس است که در مرحله کلیدی آن AICI_3 با پذیرش یک یون کلرید به AICI_4 تبدیل می‌شود و طی آن یک یون کربانیون که اسیدی قوی و الکترون‌دوست است باقی می‌ماند.
ایرادات نظریه اسید لوییس
باوجوداینکه نظریه اسید و باز لویس ایرادات نظریه‌های برونستد – لوری و آرنیوس را ندارد و می‌تواند واکنش‌های بین اسید و باز را به‌خوبی توجیه کند؛ ولی ایراداتی نیز دارد.
- نظریه لوییس برای قدرت نسبی اسید و باز دلیل موجهی نمی‌تواند ارائه دهد؛ زیرا بر اساس یونش بنا نشده است.
- واکنش بین اسید و باز یک واکنش انتقال الکترون است، بنابراین باید کاملاً سریع باشد. ولی بسیاری از واکنش‌های اسید و باز با سرعت پایین و به‌صورت کند انجام می‌شوند.
ترکیبات یون کمپلکس
یون‌های چنداتمی که آن‌ها را با نام‌های یون‌های کمپلکس یا کوئوردیناسیونی می‌نامند، از یک فلز مرکزی تشکیل شده‌اند که از اطراف به یون‌های کوچک دیگر متصل هستند. این واکنش را نمی‌توان با نظریه برونستد توضیح داد؛ ولی نظریه لوییس این مشکل را برطرف می‌کند. اغلب باز لوییس لیگاند ترکیب کوئوردیناسیونی است و فلز مرکزی نیز نقش اسید لوییس را ایفا می‌کند. یون آلومینیوم کاتیون و فلزی دارای ظرفیت پر نشده است و بر همین اساس اسید لوییس شمرده می‌شود. همچنین آب آنیونی با زوج الکترون غیرپیوندی است و باز لوییس می‌باشد.