越过质子：一个更宽的定义
在上一篇指南里，你认识了[[inorg-bronsted-lowry-acid-base|布朗斯特-劳里]]图像：酸给出一个质子 H+，碱接受它。这个视角很干净，能解释大量的水溶液化学。但请留意一个不动声色的怪处——布朗斯特碱才是主动的一方。当 NH3 抓住一个质子时，真正在干活的是氮上的孤对电子伸出去、攫住那个裸露的 H+。质子不过是个顺道的乘客。G. N. 路易斯，正是更早阶梯里点式结构背后的那位化学家，问出了一个自然的追问：要是质子根本就不是必需的，真正发生的事不过是一个物种递出一对电子、另一个接住它，会怎样？
这个问题就是[[inorg-lewis-acid-base|路易斯定义]]的全部。路易斯碱是电子对给体——它必须带着一对孤对电子，有时是一对成键电子，可以递出去。路易斯酸是电子对受体——它必须有地方安放那对电子，通常是一个能量很低的空轨道。两者相遇，一根新的共价键就形成了，完全由原先待在碱上的电子构成。整个过程根本不需要质子出现。这样看来，质子不过是成千上万种路易斯酸里的一种——一个细小、裸露、饥渴的空轨道，只是恰好在水里非常常见而已。
加合物：酸与碱相遇之处
当一个路易斯酸和一个路易斯碱结合时，产物有一个值得记住的名字：[[acid-base-adduct|加合物]]。最经典的演示是三氟化硼遇上氨。你在成键阶梯里见过 BF3，它是个缺电子分子——硼坐在三根 B-F 键的中心，周围只有六个电子，还有一个空着的 2p 轨道笔直地从三角平面里指出去。氨的问题恰好相反：氮带着一对肥厚的孤对，却没什么有意思的地方安放。把两者凑到一起，氮的孤对就径直滑进硼那个空轨道，形成写作 F3B-NH3 的加合物。
看看键形成时硼的形状发生了什么变化。自由的 BF3 是扁平的——平面三角形，三个氟和硼都在同一平面里，那个空 2p 轨道在上下两侧伸出。氮的电子对一旦移进来，硼就从 sp2 重新杂化为 sp3，分子鼓起成一个四面体，三个氟像伞张开一样向下弯折。这根新的 B-N 键在一切可测量的意义上都是一根普通的共价键；唯一不寻常的是它的来历——两个电子都来自单独一个伙伴。旧书把这叫作“配位键”或“给予键”，但一旦键形成了，电子就再也记不得自己从哪儿来了。
F F F F H \ / \ | / B : N--H --> B --------N--H / \ / | F F F H trigonal pyramidal adduct: F3B-NH3 planar base (B is now sp3, tetrahedral) sp2, empty 2p orbital
出场角色的野外指南
一旦你知道该找什么，路易斯酸和碱就到处往你眼前跳。经典的路易斯酸分成三大家族。第一，缺电子的共价分子——带着空 p 轨道的[[boron-trihalide-lewis-acids|三卤化硼]] BF3 和 BCl3。第二，那些中心原子可以被诱导着接受更多电子的分子，比如 AlCl3：在气相中，两个 AlCl3 单元配对成二聚体 Al2Cl6，每个铝都对邻居身上一个氯的孤对充当路易斯酸，形成两根桥连的 Al-Cl-Al 键——这就是你也许已经瞥见过的氯化铝二聚体。第三，也是对无机化学最重要的，金属阳离子。
一个裸露的金属阳离子，比如 Fe3+ 或 Co3+，是一个带正电的小球，拥有空的价轨道——是绝佳的电子对受体。围在它周围的路易斯碱叫作配体，而[[donor-atom|给体原子]]就是配体上递出孤对电子的那个特定原子。常见的路易斯碱恰好就是你能猜到的那些分子：胺类和氨（通过氮给电子）、醚、水和醇（通过氧）、以及卤离子 F-、Cl-、Br-、I-（通过卤原子）。当六个氨分子各把一个氮孤对推进一个 Co3+ 离子时，你就得到了配合物 [Co(NH3)6]3+——而这，恰恰就是通往下一大主题的桥。
如何辨认谁是谁
面对一个陌生的反应，你通常能在几秒钟里给出路易斯酸和碱的标签。诀窍是看清谁手里有电子对、谁身上有空洞。
- 找出孤对电子。任何带着可见孤对电子的原子——胺里的 N、水或醚里的 O、一个卤离子——都是路易斯碱的候选者。如果它没有孤对可给，它就当不成碱。
- 找出空轨道。寻找一个缺电子的中心（BF3 里的硼）、一个带正电的金属离子（Fe3+、Al3+），或一个能腾挪出空间的中心。那就是你的路易斯酸。
- 画出箭头。新键的箭头永远从碱的孤对指向酸的空轨道。两个电子都源自碱；酸只贡献那个空位。
- 核对一下电子数。给体原子失去了对那对电子的“独占权”，但赢得了一根键；受体则赢得了对两个电子的分享。没有电子被创造或销毁——它们只是在一个新的地方被共享了。
拿一个你在布朗斯特那篇里已经熟悉的反应来试试。当氨溶进水中、一个质子跳过来给出 NH4+ 时，路易斯式的读法是：氮的孤对（碱）进攻水里的那个质子，而质子是可能存在的最小的路易斯酸。质子的角色从“被转移的那个东西”缩小为不过是“一个带正电的、裸露的 1s 受体轨道”。同一桩事件，更深的视角——现在你能把它看作那同一次握手的一个微小例子，正是这握手搭起了 [Co(NH3)6]3+。
诚实的边界，以及它通向何处
路易斯定义之所以有力，恰恰因为它宽广，但宽广是有代价的：它告诉你一个反应能不能发生，却不告诉你它发生得多强、多快。说“金属阳离子是路易斯酸”，并不能告诉你 Fe3+ 会饥渴地结合氟离子，而 Hg2+ 偏爱碘离子、几乎无视氟离子。这多出来的一层预测，就是你将在紧接着的下一篇里遇到的[[hsab-principle|软硬酸碱]]思想：小、高电荷、难变形的酸与碱（“硬”）彼此配对最好，而大、易变形的（“软”）彼此配对最好。路易斯告诉你这场游戏的规则；软硬酸碱告诉你谁会赢。
第二个诚实的提醒：“路易斯酸”是一个物种扮演的角色，而不是终身烙在它身上的固定标签。水对 Fe3+ 是路易斯碱（给出一个氧孤对），却又对它捡到的一个游离质子充当路易斯酸。许多物种会视伙伴而定，两种角色都扮演。还要记住，加合物里那根给予型的键，尽管来历特殊，一旦形成就是一根普通的共价键——别因为两个电子都来自一边，就把它想象成更弱或低人一等。
退一步，看看你收获了什么。布朗斯特图像解释了水中的酸；路易斯图像则解释了无处不在的酸——在熔盐里、在非水溶剂里、在气相中、在催化剂表面、在酶的活性位点内部。它把酸碱化学、每一个金属配合物的形成、以及一大片反应机理串成同一个思想：电子从充裕之处流向有空位之处。这一句给体-受体的话，就是你将循着它走完这条阶梯余下部分的那根线。