5.2 : 루이스 산과 염기

이 수업에서는 전자 결핍 화합물에 대한 옥텟 규칙의 맥락에서 루이스 산과 염기를 알아봅니다. 여기서는 붕소나 알루미늄과 같은 13족 원소를 강조하면서 개념을 설명합니다. 13족 원소는 3개의 원자가 전자를 갖고 있기 때문에 6족 전자와 중심 원자의 빈 궤도를 가진 3가 화합물을 형성합니다. 결과적으로, 이러한 전자 결핍 화합물은 화학 반응에서 옥텟을 완성하기 위해 다른 종으로부터 전자를 받아들입니다. 길버트 N. 루이스가 제안한 '산과 염기의 일반 이론'에 따라 루이스 산이라고 합니다.

루이스의 이론은 브뢴스테드의 정의 범위에 속하지 않는 화합물을 다루었습니다. 그는 전자가 부족한 화합물이 화학 반응에서 원자가 껍질 옥텟이 완성되는 루이스 산으로 작용한다고 제안했습니다. 따라서 루이스 산은 전자쌍을 받아 새로운 결합을 형성하는 종입니다.

대조적으로, 루이스 염기는 전자쌍을 제공하는 종으로 정의됩니다. 이는 암모니아와 반응하여 루이스 산-염기 부가물을 형성하는 염화알루미늄의 구체적인 예를 사용하여 설명됩니다. 여기서 전자쌍은 반대 전하를 띤 종 사이에서 전달되어 옥텟을 만족시킵니다. 루이스 산과 염기 개념은 그림 1과 같이 전자가 부족한 삼불화붕소와 전자가 풍부한 암모니아 사이의 반응에서 더욱 반복됩니다.

Figure 1. 삼불화붕소와 암모니아의 반응

여기서 종에 대한 상당한 전하가 발생합니다. 붕소 중심에는 전자를 수용할 수 있는 빈 궤도가 있으므로 양전하를 국지화합니다. 대조적으로, 암모니아의 질소 중심은 비공유 전자쌍의 존재로 인해 음전하를 축적합니다. 따라서 이들이 상호작용할 때, 질소 원자가 껍질에 있는 비공유 전자쌍은 위의 곡선 화살표로 표시된 BF3의 붕소 원자로 전달됩니다. 따라서 붕소와 질소의 형식 전하는 균형을 이루며 결과적으로 루이스 산-염기 부가물은 순 전하를 갖지 않습니다.

루이스 이론은 비공유 전자쌍의 전달을 통합하여 산-염기 반응을 정의하기 위해 양성자 전달만을 사용하는 브뢴스테드 이론에 대한 부록을 제공합니다. 따라서 모든 브뢰스텐드 로우리 산은 양성자성 산이지만 루이스 산은 양성자성 또는 비양성자성일 수 있습니다. 이는 염산의 예를 사용하여 설명됩니다. 브뢰스텐드 로우리 정의에 따르면 HCl은 양성자를 기증할 수 있는 능력을 갖춘 산입니다. 또한 수소 원자가 공유 전자를 염소에게 잃으면서 동시에 암모니아로부터 전자쌍을 받기 때문에 루이스 산이기도 합니다.