路易斯酸碱定义(Lewis acid-base definition)
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布朗斯特-劳里把酸性钉在质子上——可是许多闻起来分明就是酸碱化学的反应,根本没有质子参与。当 BF3 气体遇到氨,它们瞬间结合成固体 F3B-NH3,多出一根崭新的键,却没有任何 H+ 移动。为了抓住这一点,吉尔伯特·路易斯(Gilbert Lewis,同在1923年)更深入一层:抛开质子,盯住电子对。路易斯碱是给出一对孤对电子的物种;路易斯酸是接受这对电子的物种。它们结合时形成一根共价键,而这根键的两个电子都来自碱。
这把酸性重新定义为对电子的渴望,把碱性定义为给出孤对电子的能力。路易斯酸需要有地方放进来的电子对——一个低能空轨道(LUMO)。BF3 合格,因为硼只有六个价电子,还有一个空的 p 轨道;金属阳离子如 Al3+、Fe3+、Cu2+ 也合格,因为它们有渴求电子密度的空轨道。路易斯碱需要一对可供给出的孤对电子(一个高能 HOMO)——氨、水、氟离子、一氧化碳、膦。布朗斯特的质子本身只是一种特殊的、极小的路易斯酸:H+ 有一个空的 1s 轨道,所以当氨把孤对给 H+ 时就得到 NH4+。每个布朗斯特碱都是路易斯碱;路易斯的思路只是不要求酸必须是质子。
这是整个无机化学中最普适、最有用的定义。整个配位化学就是路易斯酸碱化学:金属离子(路易斯酸)接受配体(路易斯碱)的孤对电子来搭建配合物。金属中心的催化作用、缺电子的硼铝化合物的行为、溶剂效应、以及软硬酸碱原理,全都建立在这个基础上。路易斯酸与碱的产物叫做加合物,给出的那对电子则形成一根配位(授受)键。
BF3 + NH3 得 F3B-NH3。氨(路易斯碱)把氮上的孤对电子给入硼的空 p 轨道(BF3,路易斯酸)。形成一根新的 B-N 配位键;没有质子移动。同样的逻辑解释了 Fe3+ 接受六个水分子的孤对而生成 [Fe(H2O)6]3+。
一个没有质子的酸碱反应:碱给出孤对电子,酸用空轨道接受。
每个布朗斯特酸碱反应都能改写成路易斯说法,反之不行——BF3 + NH3 是一个无法用布朗斯特描述的路易斯酸碱反应。路易斯是更宽的范畴;质子只是一种非常常见的路易斯酸。