La teoria acido-base di Lewis
La teoria di Lewis risale al 1923 quando il chimico statunitense Gilbert Lewis propose un’estensione dei concetti di acido e base legati alla teoria di Brönsted-Lowry. Questa definiva le sostanze acidi o basi sulla base del fatto che acquistassero o cedessero protoni, ma per Lewis la formulazione non era corretta.
A sua volta la teoria di Brönsted-Lowry rappresentava una revisione del concetto di acido-base secondo Arrhenius. Il chimico svedese infatti considerava basi le sostanze che in soluzione acquosa liberavano ioni OH-. Tuttavia dato che alcune basi non presentano il gruppo ossidrile la sua definizione era molto riduttiva. Quella di Lewis è la teoria più completa delle tre.
Cosa dice la teoria di Lewis
La definizione che Lewis diede di acido è “sostanza in grado di accettare una coppia di elettroni“.
In contrasto, una base è dunque una sostanza in grado di cedere la coppia di elettroni che l’acido riceve. Non si nominano gli elettroni di valenza in quanto gli studi di Lewis risalgono a prima dell’avvento della meccanica quantistica, Vennero perciò integrati in seguito alla scoperta degli orbitali.
Mentre la teoria di Lewis parla di cessione di elettroni quindi è più corretto parlare di una sovrapposizione di orbitali atomici. Per indicare gli acidi si usa la lettera maiuscola A, mentre per le basi si scrive :B. A questo chimico infatti si deve la scrittura in cui gli elettroni di valenza sono rappresentati come punti accanto al simbolo chimico dell’atomo. Poiché si parla di coppia di elettroni se ne disegnano due.
In una reazione acido base si forma dunque un legame, che secondo Lewis si rappresenta con un trattino. Dunque se unisco un acido A ad una base :B otterrò il complesso B:A. Posso rappresentare la lezione con :B + A => B:A, Per fare invece un esempio pratico posso usare l’acido cloridrico e l’acqua, dove quindi avverrà HCl + H2O => H3O+ + Cl–.
Dato che nella reazione HCl è l’acido e l’acqua la base, il primo riceve gli elettroni e la seconda li cede. Infatti al termine l’acqua ha perso cariche negative diventando lo ione positivo H3O+ , mentre l’acido li ha acquisiti, formando l’anione Cl–.
Un confronto con acidi e basi di Brönsted-Lowry
Stando alla teoria di Lewis c’è un passaggio di elettroni o meglio una cessione che dalle basi è diretta verso gli acidi. Secondo i chimici che la precedettero invece lo scambio che riguardava gli ioni idrogeno (H+). Non solo, erano gli acidi i donatori e le basi gli accettori, dunque la dinamica di reazione era l’opposto. Tuttavia, a livello di bilancio di carica le due teorie combaciano.
Per Lewis tra acido e base c’è una cessione di elettroni, per Brönsted-Lowry invece si tratta di una reazione di deprotonazione e protonazione successiva. Prendendo a modello sempre la reazione fra HCl e H2O, l’acqua risulta una sostanza basica secondo entrambe le teorie esaminate. Perde elettroni diventando positiva e si carica di un idrogeno in più (H+).
Una differenza lampante fra la teoria di Lewis e quella di Brönsted-Lowry invece è legata a come considerano la reazione di neutralizzazione. In entrambe è presente il concetto di complementarietà acido-base, ma per Lewis avviene attraverso la formazione di un legame covalente fra le due molecole.
Le sostanze che Brönsted e Lowry considerano basi sono le stesse che rientrano in questa categoria secondo Lewis, come per esempio l’ammoniaca. Per quanto riguarda invece gli acidi si presenta un problema relativo agli acidi forti come l’HCl o l’H₂SO₄, che non è in grado di accettare coppie di elettroni. Dunque per Lewis non lo si può definire tale, mentre per la teoria di Brönsted-Lowry invece sì.
La teoria di Lewis e le sostanze
Secondo il concetto acido-base definito da Lewis tutte le basi si possono definire molecole nucleofile. Vale a dire che allo stato neutro possiedono dei doppietti elettronici non condivisi oppure che si tratta di anioni (ioni negativi). Un esempio è l’ammoniaca (NH3), dove l’azoto presenta un doppietto non legato mentre gli altri elettroni sono condivisi con i tre idrogeni.
Gli acidi invece sono tutti molecole elettrofile. ossia che attraggono facilmente elettroni di legame. Si possono definire così quindi gli ioni positivi, o cationi, o specie neutre che hanno orbitali privi di elettroni. Le sostanze elettrofile sono coinvolte in diverse reazioni organiche come la sostituzione elettrofila degli idrocarburi aromatici, come la clorurazione o la nitrazione.
Secondo la teoria di Lewis dunque sono acide anche molecole neutre ma elettron-deficienti come alcuni sali. Ad esempio il cloruro di berillio (BeCl2), il fluoruro di boro (BF3) e il cloruro di alluminio (AlCl3). Dato che anche gli ioni positivi si comportano da acidi di Lewis questo vale anche ad esempio per molecole come l’H3O+ o il Br+.
Per Lewis l’acqua è considerata una sostanza basica dato che l’atomo di ossigeno che contiene presenta un doppietto libero. Per Brönsted e Lowry invece l’acqua è una sostanza anfotera. Significa che può comportarsi come acido o come base a seconda della sostanza con cui reagisce (da base con gli acidi e da acido con le basi).
