اسید لوییس چیست؟ – به زبان ساده + مثال

«اسید لوییس» (Lewis Acid) و «باز لوییس» (Lewis Base) دو مفهوم بسیار مهم و حیاتی در علم شیمی هستند. طبق تعریف اسید لوییس گونه‌ای است که گیرنده الکترون و باز لوییس گونه‌ای است که دهنده الکترون باشد. در این مطلب می‌خواهیم بدانیم اسید لوییس چیست و از چه طریقی قابل تشخیص است. همچنین در مورد انواع آن و نحوه تشخیص و سنتز آن صحبت خواهیم کرد.

اسید لوییس چیست ؟

به همین صورت می‌توان باز لوییس را نیز به‌صورت گونه‌ای تعریف کرد که دهنده زوج‌الکترون باشد. به‌صورت دقیق‌تر می‌توان آن‌ها را به این شکل تعریف کرد.

• اسید لوییس: گونه‌ای که پذیرنده زوج‌الکترون، مانند یک الکترون‌دوست، و دارای اوربیتال با ظرفیت خالی است.
• باز لوییس: گونه‌ای که دهنده زوج‌الکترون، مانند هسته‌ دوست، و دارای زوج‌الکترون‌ تنها است.

این گفته‌ها را می‌توانید در معادله تصویر زیر به‌‌خوبی مشاهده کنید.

در این مورد باز لوییس الکترون خود را به اسید لوییس می‌دهد. نتیجه واکنش این دو را فراورده افزایشی می‌نامند. برای درک بهتر به انتقال الکترون در تصویر زیر دقت کنید.

مثالی از اسید و باز لوییس

$$Zn^{2+} + 4NH_3 \rightarrow [Zn(NH_3)_4]^{4+}$$

فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ در فرادرس

کلیک کنید

تعاریف دیگر اسید

لوییس تنها شیمی‌دانی نبود که تلاش کرد با تعریفی دقیق به مفهوم اسید و باز بپردازد. اسید و بازها خانواده بسیار مهم و پرکاربردی در علم شیمی هستند و به همین دلیل در طول تاریخ مطالعات بسیاری برای شناسایی و توجیه رفتار آن‌ها صورت گرفته است. در این بخش می‌خواهیم بدنیم تفاوت نظریه اسید لوییس با تعاریف دیگر در چیست و سپس با تعدادی نظریه دیگر برای تشخیص این دسته از مواد آشنا می‌شویم.

اسید و باز آرنیوس

مشکل این نظریه زمانی مشخص می‌شود که مولکولی با اسید وارد واکنش می‌‌شود و خاصیت بازی دارد اما فاقد یون هیدروکسید است. برای مثال به واکنش زیر توجه کنید. در این واکنش جوش شیرین با فرمول شیمیایی $$NaHCO_3$$ با اسید وارد واکنش می‌شود.

با در نظر گرفتن عدم پاسخگویی این نظریه در برخی موارد از جمله این واکنش، نظریه لوری-برونستد برای داشتن تعریف جامع‌تر و بهتری از مفهوم اسید و باز ارائه شد.

اسید و باز برونستد

با در نظر گرفتن این توضیحات متوجه شدیم که این نظریه نیز کامل نیست. هرچند نسبت به نظریه آرنیوس مزایایی دارد اما برای رفع نواقص آن نظریه اسید و باز لوییس مطرح شد.

تشابه نظریه لوری-برونستد و لوییس

همچنین بازهای لوییس فراهم آورنده الکترون هستند و آن را در اختیار گونه اسیدی قرار می‌دهند.

انواع اسید لوییس

در این بخش می‌خواهیم بدانیم انواع اسید لوییس چیست و این اسیدها چه تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند. تعدادی از مولکول‌ها به دلیل ساختاری که دارند، می‌توانند به عنوان اسید لوییس عمل کنند.

فیلم آموزش آزمایشگاه شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

در لیست زیر می‌توانید تعدادی از گونه‌هایی که می‌توانند اسید لوییس باشند را مشاهده کنید.

• تمامی کاتیون‌ها به دلیل توانایی در پذیرش الکترون اسید لوییس هستند. از این مورد می‌توان به کاتیون‌های $$Cu^{2+}$$، $$Fe^{2+}$$ و $$Fe^{3+}$$ اشاره کرد.
• هر اتم، یون یا مولکولی که فاقد الکترون‌های اکتت باشد، می‌تواند به عنوان یک اسید لوییس عمل کند. از این مورد می‌توان به $$BF_3$$ و $$AlF_3$$ اشاره کرد.
• مولکول‌هایی که اتم‌های مرکزی آن‌ها می‌تواند بیش از ۸ الکترون ظرفیت داشته باشد، پذیرنده الکترون است و باز لوییس در نظر گرفته می‌شود. $$SiBr_4$$ و $$SiF_4$$ مثال‌هایی از این مورد هستند.
• مولکول‌هایی که بین دو اتم با مقدار الکترونگاتیوی متفاوت دارای بیش از یک پیوند باشند، اسید لوییس هستند. از این مورد می‌توان $$CO_2$$ و $$SO_2$$ را نام برد.

اسیدهای لوییس ساده

برخی از اسیدهای لوییس بسیار مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و پرکاربرد نیز هستند. در این بخش به تعدادی از این اسیدهای لوییس ساده می‌پردازیم. یکی از این اسیدهای لوییس «بور تری فلوئورید» است.

$$BF_3 + F^− → BF_4^−$$

$$BF_3 + OMe_2 → BF_3OMe_2$$

$$I_2 + I^− → I_3^−$$

$$SiF_4 + 2 F^− → SiF_6^{2−}$$

اسیدهای لوییس کمپلکس

$$B_2H_6 + 2 H^− → 2 BH_4^−$$

در این مورد می‌توان از حد واسطی به شکل $$B_2H_7^-$$ استفاده کرد.

بسیاری از کمپلکس‌های فلزی می‌توانند به عنوان اسید لوییس در نظر گرفته شوند اما باید از باز لوییس همراه خود، به‌طور معمول آب، جدا شوند. این مورد را با حضور فلز منیزیم در واکنش زیر مشاهده می‌کنید.

$$[Mg(H_2O)_6]^{2+} + 6 NH_3 → [Mg(NH_3)_6]^{2+} + 6 H_2O$$

هیدروژن به عنوان اسید لوییس

$$H^+ + NH_3 → NH_4^+$$

$$H^+ + OH^− → H_2O$$

انواع باز لوییس

• $$OH^-$$
• $$CN^-$$
• $$CH_3COO^-$$
• $$NH_3$$
• $$CO$$

واکنش اسید و باز لوییس

تا اینجا دانستیم اسید لوییس چیست و چه انواعی دارد. در این بخش می‌خواهیم به واکنش‌هایی بپردازیم که اسید و باز با یکدیگر انجام می‌دهند. زمانی که یک اسید با یک باز لوییس همراه می‌شود، بالاترین اوربیتال مولکول اشغال شده باز با پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده اسید، برهم‌کنش می‌کند و اوربیتال مولکولی پیوندی را به وجود می‌آورد. توجه داشته باشید که هم اسید هم باز لوییس دارای هر دو اوربیتال $$HOMO$$ و $$LUMO$$ هستند اما تنها آن‌هایی را که در برهم‌کنش دخیل هستند، مورد بررسی قرار می‌دهیم.

فیلم آموزش شیمی آلی 1 در فرادرس

کلیک کنید

در این مثال پیوند دوگانه مانند باز لوییس عمل می‌کند و دهنده الکترون و $$HCl$$ اسید لوییس است. توجه داشته باشید که به دلیل ماهیت اجزای این واکنش می‌توان هم آن را در دسته واکنش‌ها اسید و باز لوییس، هم در واکنش‌های جانشینی هسته‌دوستی گنجاند.

مثال واکنش اسید و باز لوییس

در این بخش می‌خواهیم تعدادی مثال از واکنش اسید و باز لوییس را بررسی کنیم. به هر واکنش دقت کنید و بگویید کدام ترکیب باز و کدام اسید لوییس است؟

واکنش ۱

$$BH_3 + (CH_3)_2S → H_3B\:S(CH_3)_2$$

رویکردی که در چنین پرسش‌هایی باید در پیش بگیریم این است که در هر مورد واکنش‌دهنده با کمبود الکترون و واکنش‌دهنده الکترون‌دهنده را پیدا کنیم. طبق تعریف جزئی که کمبود الکترون دارد، اسید لوییس و جزئی که الکترون‌دهنده است، باز لوییس نامیده می‌شود.

واکنش ۲

$$CaO + CO_2 → CaCO_3$$

در این واکنش $$CO_2$$ از $$O^{2-}$$ در $$CaO$$ زوج‌الکترون دریافت می‌کند و یون کربنات را تشکیل می‌دهد. اکسیژن $$CaO$$ دهنده الکترون است، بنابراین آن را باز لوییس می‌نامیم. همچنین $$CO_2$$ که الکترون می‌پذیرد، اسید لوییس خواهد بود.

واکنش ۳

$$BeCl_2 + 2 Cl^− → BeCl_4^{2−}$$

در این مثال یون کلرید دارای ۴ زوج‌الکترون ناپیوندی است و آن‌ها را به $$BeCl_2$$ می‌دهد. بنابراین یون کلرید باز لوییس و $$BeCl_2$$ اسید لوییس خواهد بود.

واکنش ۴

$$CO_{2(g)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons H_2CO_{3(aq)}$$

در این واکنش مولکول آب دهنده زوج‌الکترون است و نقش باز لوییس را ایفا می‌کند. همچنین گیرنده این الکترون اتم کربن موجود در کربن دی‌اکسید است. می‌خواهیم مکانیسم این واکنش را مورد مطالعه قرار دهیم. وقتی اتم کربن زوج‌الکترون را از مولکول آب بپذیرد، نیازی به پیوند دوگانه با هر دو اتم اکسیژن در ساختار خود ندارد. این را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید یکی از اتم‌های اکسیژن در حد واسط تشکیل شده از افزایش مولکول آب به کربن دی‌اکسید، دارای بار مثبت است. بعد از اینکه یکی از $$H^+$$ به اکسیژن دیگر منتقل می‌شود، تمامی اتم‌های اکسیژن موجود در ساختار از نظر بار الکتریکی خنثی خواهند شد. بنابراین فراورده این واکنش به‌صورت کربونیک اسید با فرمول $$H_2CO_3$$ به دست می‌آید.

ترکیبات یون کمپلکس یا کوئوردیناسیونی

$$Al^{3+} + 6 H_2O \rightleftharpoons [Al(H_2O)_6]^{3+}$$

آمفوتر چیست ؟

• آب به عنوان یک اسید وارد واکنش می‌شود.

$$H_2O + NH_3 \rightarrow NH_4^+ + OH^-$$

• آب به عنوان یک باز وارد واکنش می‌شود.

$$H_2O + HCl \rightarrow Cl^- + H_3O^+$$

از دو مثال بالا می‌توان این‌طور برداشت که نحوه رفتار یک مولکول بستگی زیادی به محیطی دارد که در آن قرار دارد. برای مثال آب در محیط اسیدی نمی‌تواند به عنوان یک اسید رفتار کند. به همین شکل در محیطی بازی نیز نمی‌توانیم از آب انتظار رفتار بازی داشته باشیم. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که نوع محیط روی رفتاری که یک مولکول از خود نشان می‌دهد، تاثیرگذار خواهد بود.

این نکته را با بررسی مثالی روشن‌تر خواهیم کرد. به دو واکنش زیر توجه کنید.

• در این واکنش $$Al(OH)_3$$ به عنوان باز لوییس نقش بازی می‌کند.

$$Al(OH)_3 + 3H^+ \rightarrow Al^{3+} + 3H_2O$$

• در این واکنش $$Al(OH)_3$$ به عنوان اسید لوییس نقش بازی می‌کند.

$$Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow Al(OH)_4^-$$

انواع اسید لوییس چیست ؟

علاوه بر موارد گفته شده پیش از این، دسته‌بندی دیگری نیز وجود دارد که اسیدها و بازهای لوییس را بر مبنای سختی و نرمی آن‌ها طبقه‌بندی می‌کند. در ادامه به بررسی مفهوم هر کدام از این دو تعریف خواهیم پرداخت و برای هر یک مثال‌هایی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

• اسید و باز سخت: به اتم‌هایی که کوچک و قطبش‌ناپذیر باشند، گفته می‌شوند. کاتیون $$H^+$$، کاتیون فلزهای قلیایی و فلزهای قلیایی خاکی، بوران‌ها و کاتیون روی از جمله اسیدهای سخت هستند. همچنین آمونیاک و آمین‌ها، آب، کربوکسیلات‌ها، فلوئورید و کلرید مثال‌هایی از بازهای سخت هستند.
• اسید و باز نرم: به اتم‌های بزرگ‌تر که قطبش‌پذیری بیشتری دارند، اطلاق می‌شود. از اسیدهای نرم می‌توان به $$Ag^+$$، $$Pt^{2+}$$، $$Mo(0)$$ و $$Ni(0)$$ اشاره کرد. یدید، تیواتر‌ها و کربن مونوکسید نیز مثال‌هایی از بازهای نرم هستند.

اندازه گیری اسیدیته لوییس

$$−ΔH = EAEB + CACB + W$$

آنتالپی شکست $$[Rh(CO)_2Cl]_2$$ توسط باز $$B$$ شامل دو مرحله است. در مرحله اول شکست دیمر اتفاق می‌افتد و مقدار $$W$$ را به دست می‌دهد. مقدار این پارامتر با واحد کیلوژول بر مول بیان می‌شود.

$${\frac{1}{2}[Rh(CO)_2Cl]_2 ->\; Rh(CO)_2Cl} \: \: W= -43.5 kJ/mol$$

در مثال دوم آنتالپی تشکیل فراورده افزایشی حاصل از واکنش پیریدین با فرمول شیمیایی $$C_5H_5N$$ و $$Cu(HFacac)2$$ را مورد بررسی قرار می‌دهیم. در این مورد پارامتر $$W$$ برابر با ۰ است زیرا نه اسید و نه باز به فرم دیمری وجود ندارند. پارامترهای مورد نیاز را می‌توان در منابع مرتبط با مدل $$ECW$$ پیدا کرد. با جایگذاری آن در رابطه به‌صورت زیر خواهیم داشت:

$$-Delta H = E_{A}E_{B} + C_{A}C_{B} = (1.82)(1.78) + (2.86)(3.54) = 13.4 kcal/mol = -56.1kJ/mol$$

کاربرد اسید لوییس چیست ؟

$$RCl +AlCl_3 → R+ + AlCl_4^−$$

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم در فرادرس

کلیک کنید

تاریخچه اسید لوییس

گفتیم که در گذشته نظریه اسید و باز برونستد که با محدودیت‌هایی جدی روبرو است، سر کار بود. در سال ۱۹۲۳ شیمی‌دانی به نام «گیلبرت نیوتن لوویس» (Gilbert Newton Lewis) تعریف جدیدی از اسید و باز ارائه کرد. این تعریف اسید و بازهای بیشتری را در بر می‌گرفت و بر پایه ساختار و پیوندهای درون هر ماده بود. همین تعریف امروزه به شیمی‌دان‌ها کمک می‌کند تا با طیف بیشتری از اسیدها و بازها کار کنند. همچنین توانایی پیش‌بینی در مورد امکان‌پذیری بسیاری از واکنش‌های اسیدی و بازی را نیز به آن‌ها می‌دهد. لوویس تعاریف پیشین از این دو ماده را کنار گذاشت و مبنای تعریف خود را بر پایه الکترون‌ها به جای پروتون‌ها قرار داد. او بیان کرد که اسید، گونه‌ پذیرنده زوج‌الکترون و باز، دهنده زوج‌الکترون است.

تمرین و حل مثال اسید لوییس

حال که می‌دانیم اسید لوییس چیست و چگونه قابل تشخیص است،‌ به سراغ تعدادی مثال و تمرین می‌رویم تا مفهوم آن را بیشتر و بهتر درک کنیم.

مثال اسید لوییس

در ابتدا تعدادی مثال را به همراه پاسخ تشریحی آن‌ها مورد بررسی قرار می‌دهیم. در این بخش تلاش بر این است تا از اطلاعات داده شده در این مطلب برای رسیدن به پاسخ سوالات، کمک گرفته شود.

مثال اول

در هر مورد، مشخص کنید که مولکول داده‌شده اسید لوییس است یا باز لوییس؟

مولکول ۱

مولکول ۲

مولکول ۳

در مولکول سیانید، اتم مرکزی کربن است و به گروه ۴ جدول تناوبی عناصر تعلق دارد. بنابراین می‌توان گفت که کربن دارای ۴ الکترون در لایه ظرفیت خود است. با نگاه به مولکول متوجه می‌شویم که کربن تنها یک پیوند سه‌گانه برقرار کرده است. یعنی اتم کربن همچنان یک زوج‌الکترون ناپیوندی روی خود دارد و می‌توان به عنوان الکترون‌دهنده نقش ایفا کند. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که سیانید باز لوییس است.

مولکول ۴

در مولکول آمونیاک، اتم مرکزی نیتروژن است و به گروه ۵ جدول تناوبی عناصر تعلق دارد. بنابراین می‌توان گفت که نیتروژن دارای ۵ الکترون در لایه ظرفیت خود است. با نگاه به مولکول متوجه می‌شویم که این اتم تنها سه پیوند برقرار کرده است. یعنی نیتروژن همچنان یک زوج‌الکترون ناپیوندی روی خود دارد و می‌توان به عنوان الکترون‌دهنده نقش ایفا کند. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که آمونیاک نیز باز لوییس است.

مولکول ۵

در این مولکول ، اتم مرکزی آلومینیوم است که به گروه ۳ جدول تناوبی عناصر تعلق دارد. بنابراین می‌توان گفت که این اتم دارای ۳ الکترون در لایه ظرفیت خود است. با نگاه به مولکول متوجه می‌شویم که این اتم سه پیوند نیز برقرار کرده است و الکترونی باقی نمانده تا نقش الکترون‌دهنده را ایفا کند. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که آلومینیوم کلرید اسید لوییس است.

مولکول ۶

مولکول ۷

در مولکول حلقوی این مثال، اتم مرکزی نیتروژن است و به گروه ۵ جدول تناوبی عناصر تعلق دارد. بنابراین می‌توان گفت که نیتروژن دارای ۵ الکترون در لایه ظرفیت خود است. با نگاه به مولکول متوجه می‌شویم که این اتم تنها سه پیوند برقرار کرده است. یعنی نیتروژن همچنان یک زوج‌الکترون ناپیوندی روی خود دارد و می‌توان به عنوان الکترون‌دهنده نقش ایفا کند. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که پیریدین باز لوییس است.

تمرین اسید لوییس

حال که تعدادی مثال را با پاسخ تشریحی بررسی کردیم، به سراغ تعدادی تمرین چندگزینه‌ای خواهیم رفت.

تمرین اول

تمرین دوم

تمرین سوم

تمرین چهارم

تمرین پنجم

تمرین ششم

تمرین هفتم

تمرین هشتم

تمرین نهم

تمرین دهم

سوالات متداول در رابطه با اسید لوییس

حال که می‌دانیم اسید لوییس چیست و چه تفاوتی با باز لوییس دارد، می‌خواهیم به تعدادی از مهم‌ترین و پرتکرارترین سوال‌هایی که پیرامون مفهوم اسید لوییس وجود دارد، پاسخ دهیم.

تفاوت باز و اسید لوییس چیست ؟

اسید لوییس گیرنده و باز لوییس دهنده الکترون است.

ویژگی اسید لوییس چیست ؟

به هر ماده‌ای که بتواند به عنوان گیرنده الکترون عمل کند، اسید لوییس می‌گوییم.

یک فلز چطور اسید لوییس قوی‌تری خواهد بود؟

هرچه فلزی روی خود بار مثبت بزرگ تری داشته باشد، اسید لوییس قوی تری نیز خواهد بود.

در بین اسیدهای بور تری هالیدی، کدام از همه قوی‌تر است؟

بور تری برمید در بین خانواده بور تری هالید‌ها قوی ترین اسید است.

آیا اسیدهای لوییس خورنده هستند؟

اسیدهای لوییس می توانند خورنده باشند. از این مورد می‌ توان به روی کلرید اشاره کرد.

آیا مولکول نیتروژن اسید لوییس است؟

خیر، نیتروژن غنی از الکترون است و تمایل به الکترون دهندگی دارد. از همین رو آن را باز لوییس می‌دانیم.

رابطه بین باز و اسید لوییس چیست ؟

هرچه اسید لوییسی ضعیف‌تر باشد، باز لوییس آن قوی‌تر خواهد بود. به همین شکل هرچه اسید لوییسی قوی‌تر باشد، اسید لوییس آن ضعیف‌تر خواهد بود.

جمع‌بندی

هدف از این مطلب این بود که بدانیم اسید لوییس چیست و چگونه قابل تشخیص است. در این تعریف، اسید لوییس گیرنده الکترون و باز لوییس دهنده آن است و از همین ویژگی می‌توان برای ایجاد تمایز بین آن‌ها استفاده کرد. در ادامه در مورد تعاریف دیگر از اسید و باز، از قبیل اسید و باز برونستد صحبت کردیم. در ادامه نیز با بررسی تعدادی مثال و تمرین درک خود از این مفهوم را عمق بخشیدیم.