¿Qué es un ácido de Lewis?

El término ácido de Lewis lleva el nombre del químico estadounidense Gilbert N. Lewis. Los primeros químicos reconocieron un ácido como una sustancia con un sabor agrio que reacciona con algunos metales y que neutraliza las bases, o álcalis, produciendo una sal. Sin embargo, desde fines del siglo XIX, se han hecho intentos para definir ácidos y bases de una manera más rigurosa, y una que explique lo que realmente sucede en una reacción ácido-base. Lewis es la definición más amplia.

En 1883, el químico sueco Svante Arrhenius definió un ácido como una sustancia que forma iones de hidrógeno (H ⁺ ) en solución acuosa, y una base como una sustancia que forma iones de hidróxido (OH ^- ). Los iones H ⁺ , que son simplemente protones, son demasiado reactivos para existir en una solución acuosa y se asocian con moléculas de agua para formar iones hidronio (H ₃ O ⁺ ). La definición de Arrhenius demostró ser muy útil y cubre la mayoría de los compuestos comúnmente considerados como ácidos. Por ejemplo, el ácido clorhídrico, una solución del cloruro de hidrógeno gaseoso en agua, proporciona iones H ⁺ que forman iones hidronio en solución: HCl + H ₂ O → H ₃ O ⁺ + Cl ^- . Esta definición siguió siendo la norma hasta bien entrado el siglo XX y todavía se usa con frecuencia en la actualidad.

Una característica definitoria de todos los ácidos es que neutralizan las bases para producir sales. Un ejemplo es la reacción del ácido clorhídrico con hidróxido de sodio (NaOH) para producir cloruro de sodio y agua (H ₂ O): H ₃ O ⁺ Cl ^- + Na ⁺ OH ^- → Na ⁺ Cl ^- + H ₂ O. Aquí, el Los iones H ⁺ proporcionados por el ácido clorhídrico se han combinado con los iones OH ^- proporcionados por el hidróxido de sodio para producir agua, mientras que los iones Na ⁺ y Cl ^- se han combinado para producir sal, de acuerdo con la teoría de Arrhenius; sin embargo, pueden ocurrir reacciones similares entre compuestos que no se ajustan a las definiciones de ácidos y bases de Arrhenius. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno gaseoso puede reaccionar con el amoníaco gaseoso para formar la sal cloruro de amonio: HCl + NH ₃ → NH ₄ ⁺ Cl ^- . Dos compuestos se han combinado para formar una sal, pero como no están en solución, no hay iones H ⁺ u OH ^- presentes, por lo que los reactivos no califican como ácido y base según Arrhenius.

En 1923, dos químicos, Johaness Bronsted y Thomas Lowry, idearon independientemente una nueva definición. Sugirieron que un ácido era un donante de protones y una base un receptor de protones. En una reacción ácido-base, el ácido proporciona un protón, o ion H ⁺ , a la base; sin embargo, ninguno de los reactivos necesita estar en solución, con iones H ⁺ u OH ^- realmente presentes antes de la reacción. Esta definición incluye todos los ácidos y bases de Arrhenius, pero también explica la combinación de cloruro de hidrógeno gaseoso y amoníaco como reacción ácido-base: el cloruro de hidrógeno covalente ha proporcionado un protón al amoníaco para formar un ion amonio (NH ₄ ⁺ ), que forma un compuesto iónico con el ion Cl ^- .

El químico estadounidense Gilbert N. Lewis sugirió, también en 1923, un concepto extendido de ácidos y bases como aceptores y donantes de pares de electrones, respectivamente. Según esta definición, una reacción ácido-base involucra a los reactivos que forman un enlace coordinado, un enlace covalente donde ambos electrones compartidos provienen del mismo átomo, con los electrones provenientes de la base. En la reacción HCl-NaOH descrita anteriormente, el ion H ⁺ proporcionado por el HCl acepta un par de electrones del ion OH ^- proporcionado por el NaOH para formar agua.

Según esta teoría, por lo tanto, una base de Lewis es un compuesto que tiene un par de electrones no unidos disponibles para la unión. La estructura ácida de Lewis es tal que puede lograr una configuración estable formando un enlace coordinado con una base de Lewis. Las bases no necesitan contener iones de hidróxido ni aceptar protones, y un ácido de Lewis no necesita contener hidrógeno ni donar protones. La definición de ácido de Lewis incluye todos los ácidos Arrhenius y Bronsted-Lowry y también muchas sustancias que no cumplen con los criterios de Bronsted-Lowry o Arrhenius.

Un buen ejemplo de dicha sustancia es el trifluoruro de boro (BF ₃ ). En este compuesto, el boro, que normalmente tiene tres electrones en su capa externa, ha formado enlaces covalentes, compartiendo un par de electrones con cada uno de los tres átomos de flúor. Aunque el compuesto es estable, tiene espacio para dos electrones más en su capa externa. Por lo tanto, puede formar un enlace coordinado con un donante de pares de electrones, en otras palabras, una base.

Por ejemplo, puede combinarse con amoníaco (NH ₃ ), que tiene un átomo de nitrógeno con un par de electrones no unidos, ya que tres de los cinco electrones en la capa externa del nitrógeno están en enlaces covalentes con los tres átomos de hidrógeno. La combinación de trifluoruro de boro y amoníaco es la siguiente: BF ₃ +: NH ₃ → BF ₃ : NH ₃ - el ":" representa el par de electrones del átomo de nitrógeno del amoníaco. El trifluoruro de boro se comporta así como un ácido de Lewis y el amoníaco como base.