15.2 Lewis sýrur og basar

Árið 1923 setti G. N. Lewis fram almenna skilgreiningu á sýru-basahegðun þar sem sýrur og basar eru auðkennd eftir getu sinni til að þiggja eða gefa rafeindapar og mynda samhæft samgilditengi.

Samhæft samgilditengi (eða gjafatengi) myndast þegar annað atómið í tenginu leggur til báðar tengirafeindirnar. Til dæmis myndast samhæft samgilditengi þegar vatnssameind sameinast vetnisjón og myndar oxóníumjón. Samhæft samgilditengi myndast einnig þegar ammoníaksameind sameinast vetnisjón og myndar ammóníumjón. Báðar þessar jöfnur eru sýndar hér.

Efnahvörf sem fela í sér myndun samhæfra samgilditengja flokkast sem Lewis-sýru-basaefnafræði. Eindin sem gefur rafeindaparið sem myndar tengið er Lewis-basi, eindin sem þiggur rafeindaparið er Lewis-sýra og myndefni hvarfsins er Lewis-sýru-basaaddúkt. Eins og dæmin tvö hér að ofan sýna eru Brønsted-Lowry-sýru-basahvörf undirflokkur Lewis-sýruhvarfa, nánar tiltekið þau þar sem sýrueindin er H⁺. Nokkur dæmi með öðrum Lewis-sýrum og Lewis-bösum eru útskýrð hér að neðan.

Bóratómið í bórtríflúoríði, BF₃, hefur aðeins sex rafeindir á gildishveli sínu. Þar sem BF₃ vantar rafeindir til að ná áttuhveli er það mjög góð Lewis-sýra og hvarfast við marga Lewis-basa; flúoríðjón er Lewis-basinn í þessu hvarfi og gefur eitt af stökum rafeindapörum sínum:

Í eftirfarandi hvarfi gefur hvor af tveimur ammoníaksameindum, sem eru Lewis-basar, silfurjóninni, Lewis-sýrunni, rafeindapar:

Oxíð málmleysingja verka sem Lewis-sýrur og hvarfast við oxíðjónir, sem eru Lewis-basar, og mynda oxóanjónir:

Mörg Lewis-sýru-basahvörf eru útskiptihvörf þar sem einn Lewis-basi leysir annan Lewis-basa af hólmi úr sýru-basaaddúkti, eða þar sem ein Lewis-sýra leysir aðra Lewis-sýru af hólmi:

Önnur tegund Lewis-sýru-basaefnafræði felur í sér myndun flókajónar (eða fléttu) sem samanstendur af miðatómi, venjulega katjón hliðarmálms, sem er umkringt jónum eða sameindum sem kallast bindlar. Þessir bindlar geta verið hlutlausar sameindir eins og H₂O eða NH₃, eða jónir á borð við CN⁻ eða OH⁻. Oft verka bindlarnir sem Lewis-basar og gefa miðatóminu rafeindapar. Þessar gerðir Lewis-sýru-basahvarfa eru dæmi um víðtæka undirgrein sem kallast samhæfingarefnafræði, sem er viðfangsefni annars kafla í þessari bók.

mynduð með hvarfinu

Myndunarfastinn fyrir þetta hvarf er

Sem dæmi um upplausn með myndun flókajónar skulum við skoða hvað gerist þegar við bætum vatnslausn af ammoníaki út í blöndu af silfurklóríði og vatni. Silfurklóríð leysist lítillega upp í vatni og gefur lítinn styrk af Ag⁺ ([Ag⁺] = 1,3 × 10⁻⁵ M):

Ef NH₃ er hins vegar til staðar í vatninu getur flókajónin Ag(NH₃)₂⁺ myndast samkvæmt jöfnunni:

með

Þessi stóri myndunarfasti gefur til kynna að flestar frjálsu silfurjónirnar, sem verða til við upplausn AgCl, sameinast NH₃ og mynda Ag(NH₃)₂⁺. Af þeim sökum minnkar styrkur silfurjóna, [Ag⁺], og hvarfkvótinn fyrir upplausn silfurklóríðs, [Ag⁺][Cl⁻], fellur niður fyrir leysnimargfeldi AgCl:

Þá leysist meira silfurklóríð upp. Ef styrkur ammoníaks er nægilega mikill leysist allt silfurklóríðið upp.

Dæmi 15.14

Sundrun flókajónar

Reiknaðu styrk silfurjónar í lausn sem er upphaflega 0,10 M með tilliti til Ag(NH₃)₂⁺.

Lausn

Ef hefðbundinni ICE-aðferð er beitt á þetta efnahvarf fæst eftirfarandi:

Með því að setja þessi gildi_fyrir jafnvægisstyrk inn í stæðuna fyrir K_f fæst:

$$\text{K\_f = [Ag(NH₃)₂⁺]/([Ag⁺][NH₃]²)}$$

$$\text{1,7 × 10⁷ = (0,10 − x)/(x(2x)²)}$$

Mjög hár jafnvægisfasti þýðir að það magn flókajónarinnar sem klofnar, x, verður mjög lítið. Ef gert er ráð fyrir að x << 0,1 má einfalda jöfnuna hér að ofan:

$$\text{1,7 × 10⁷ = 0,10/(x(2x)²)}$$

$$\text{x³ = 0,10/(4(1,7 × 10⁷)) = 1,5 × 10⁻⁹}$$

$$\text{x = ∛(1,5 × 10⁻⁹) = 1,1 × 10⁻³}$$

Þar sem aðeins 1,1% af Ag(NH₃)₂⁺ klofnar í Ag⁺ og NH₃ er sú forsenda að x sé lítið réttlætanleg.

Með því að nota þetta gildi fyrir x og venslin í ICE-töflunni hér að ofan má reikna út jafnvægisstyrk allra efnategunda:

$$\text{[Ag⁺] = 0 + x = 1,1 × 10⁻³ M}$$

$$\text{[NH₃] = 0 + 2x = 2,2 × 10⁻³ M}$$

$$\text{[Ag(NH₃)₂⁺] = 0,10 − x = 0,10 − 0,0011 = 0,099}$$

Styrkur frjálsra silfurjóna í lausninni er 0,0011 M.

Prófaðu þig

Reiknaðu styrk sil_furjóna, [Ag⁺], í lausn sem er útbúin með því að leysa upp 1,00 g af AgNO₃ og 10,0 g af KCN í nægilegu vatni til að búa til 1,00 L af lausn. (Vísbending: Þar sem K_f er mjög stór fyrir silfur/sýaníð-flókajónina (sjá viðauka K), skaltu gera ráð fyrir að hvarfið gangi til fulls og reikna síðan [Ag⁺] sem myndast við klofnun flókajónarinnar.)

Svar:

2,9 × 10⁻²² M