Кислота Льюиса: свойства и реакции
Кислоты и основания - фундаментальные понятия химии. Однако классические определения не охватывают все многообразие кислотно-основных реакций. В статье речь пойдет о революционной теории Льюиса, которая кардинально расширила эти понятия. Узнаете, что такое кислоты и основания с точки зрения Льюиса, их удивительные свойства и реакции.
Предпосылки создания теории Льюиса
К началу XX века существовали две основные теории кислот и оснований – теория Аррениуса и Бренстеда-Лоури. Однако обе теории имели существенные ограничения.
Теория Аррениуса определяла кислоты и основания исключительно как электролиты, способные к диссоциации с образованием ионов H+ и OH-. Это не позволяло объяснить поведение большого класса соединений, не являющихся электролитами, но проявляющих кислотно-основные свойства.
Теория Бренстеда-Лоури связывала понятия кислот и оснований с передачей протона. Однако многие важные реакции, например комплексообразование, не сопровождаются передачей протона.
К тому же были открыты реакции, где роль "протона" играет не H+, а другие частицы, например нитроний-катион NO+:
HNO3 + NO → N2O3 + H2O
Такие факты нельзя было объяснить в рамках теории Бренстеда-Лоури. Возникла необходимость в более общей теории кислот и оснований, не привязанной к понятию протона.
Определение кислот и оснований по Льюису
Кислота Льюиса – любое вещество, способное принимать электронную пару для образования ковалентной связи. Кислотой Льюиса может быть как молекула, так и ион.
Простейшим примером кислоты Льюиса является протон H+. Другие примеры:
- Катионы металлов: Al3+, Fe3+
- Молекулы, содержащие атомы с незаполненными орбиталями: BF3, SO3
Основание Льюиса – любое вещество, способное отдавать электронную пару для образования ковалентной связи. К основаниям Льюиса относятся:
- Анионы: F-, OH-
- Молекулы, содержащие неподеленные электронные пары: NH3, H2O
Таким образом, теория Льюиса существенно расширила классические представления о кислотах и основаниях. Главное отличие – речь идет не о протонах, а об электронных парах.
Удивительные свойства кислот Льюиса
Кислоты Льюиса обладают рядом уникальных свойств, позволяющих им участвовать в разнообразных химических реакциях.
Во-первых, они могут образовывать аддукты – соединения с основаниями Льюиса за счет обобществления электронной пары. Например, взаимодействие бортрифторида BF3 с аммиаком:
BF3 + NH3 → F3B−NH3
Во-вторых, многие кислоты Льюиса обладают координационной ненасыщенностью – способностью присоединять лиганды для достраивания структуры до инертного газа. Яркий пример – гексагональный гидрид бора BH3, который может присоединять до 3 молекул аммиака:
BH3 + 3NH3 → BH3(NH3)3
В-третьих, кислоты Льюиса проявляют каталитические свойства в реакциях органического синтеза. Особенно эффективны апротонные кислоты вроде AlCl3, не диссоциирующие в водных растворах.
Теория Льюиса открыла принципиально новые стороны химических взаимодействий. Она позволила объяснить массу ранее непонятных фактов в неорганической, органической и других областях химии.
Применение теории Льюиса
Теория кислот и оснований Льюиса нашла широкое применение в различных областях химии благодаря своей универсальности.
Во-первых, она позволяет объяснить многие реакции ионного типа, рассматривая электрофилы как кислоты Льюиса, а нуклеофилы - как основания Льюиса. Так кислотно-основное взаимодействие становится общей основой для понимания механизмов реакций.
Прогнозирование реакций
Кроме того, теория Льюиса дает возможность прогнозировать направление протекания химических реакций. В обратимых процессах равновесие смещается в сторону образования более слабых кислот и оснований Льюиса.
Определение силы кислот и оснований
Хотя теория Льюиса не позволяет дать количественную оценку силы кислот и оснований, она дает качественные критерии для их сравнения. Например, мягкие кислоты и основания легко поляризуются, а жесткие - плохо.
Промышленное применение
На практике соединения, являющиеся кислотами Льюиса, широко используются в качестве катализаторов в химической промышленности. Особенно эффективны апротонные кислоты вроде AlCl3, ZnCl2, BF3.
Они позволяют ускорить такие важные процессы, как крекинг и изомеризация углеводородов, получение высокооктановых компонентов бензина, синтез ценных органических соединений.
Достоинства и недостатки теории
По сравнению с предшествующими теориями, концепция Льюиса имеет важные преимущества. В то же время, у нее есть и определенные ограничения.
Преимущества перед теорией Аррениуса
В отличие от теории Аррениуса, концепция Льюиса не ограничивается только электролитами. Она охватывает и неэлектролиты, проявляющие кислотно-основные свойства за счет донорно-акцепторного механизма.
Преимущества перед теорией Бренстеда-Лоури
По сравнению с теорией Бренстеда-Лоури, подход Льюиса шире и позволяет объяснить реакции без переноса протона, в частности, реакции комплексообразования и реакции с участием других частиц в роли "протона".
Невозможность количественной оценки силы кислот и оснований
Один из недостатков теории Льюиса в том, что она не дает количественной меры силы кислот и оснований. Приходится ограничиваться лишь качественными сравнениями с использованием различных косвенных критериев.
Сложность практического использования
Кроме того, широта подхода Льюиса одновременно затрудняет его практическое применение. Зачастую проще использовать более строгие, но узкие определения кислот и оснований, чем универсальную, но абстрактную теорию.
Перспективы развития теории
Несмотря на отдельные недостатки, концепция Льюиса продолжает активно использоваться и совершенствоваться химиками. В частности, ведутся работы по созданию количественных шкал силы кислот и оснований Льюиса. Это позволит раскрыть потенциал теории в полной мере.