Teoria di Lewis: cos’è

La teoria di Lewis ebbe inizio nel 1923, quando il chimico americano Gilbert Lewis propose un’estensione dei concetti di acido-base legati alla teoria di Brønsted-Lowry. Questa teoria definiva una sostanza acida o basica in base al fatto che guadagnasse o cedesse un protone, ma per Lewis questa formulazione era errata.

D’altro canto, la teoria di Brønsted-Lowry è una modifica del concetto di acido-base di Arrhenius. Il chimico svedese considerava una base una sostanza che rilascia ioni OH- in soluzione acquosa. Tuttavia, la sua definizione era molto riduttiva, poiché alcune basi non hanno gruppi ossidrilici. La teoria di Lewis è di conseguenza la più completa delle tre teorie.

Infatti, la teoria di Lewis definisce gli acidi e le basi in base alla loro capacità di accettare o donare coppie di elettroni. Secondo questa teoria, un acido è una sostanza che accetta una coppia di elettroni da una base e una base è una sostanza che dona una coppia di elettroni non legata a un acido. Questa formulazione ha permesso una più ampia gamma di classificazione di acidi e basi rispetto alle teorie precedenti.

Teoria di Lewis: definizione

Secondo Lewis, un acido è “una sostanza in grado di ricevere una coppia di elettroni”.

Quindi, una base è una sostanza in grado di produrre le coppie di elettroni che un acido riceve. Il lavoro di Lewis risale a prima dell’avvento della meccanica quantistica e quindi non menziona gli elettroni di valenza; è stato di conseguenza integrato dopo la scoperta degli orbitali.

Sebbene la teoria di Lewis lo descriva come trasferimento di elettroni, è più corretto descriverlo come sovrapposizione di orbitali atomici. La lettera maiuscola A viene utilizzata per gli acidi e la :B per le basi. È il chimico, infatti, che ha messo rappresentato gli elettroni di valenza come puntini accanto al simbolo chimico dell’atomo.

Il termine “coppia di elettroni” significa che sono rappresentati due elettroni.

In una reazione acido-base si forma dunque un legame, che secondo Lewis si rappresenta graficamente 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 un altro esempio pratico,  posso usare l’acido cloridrico e l’acqua.

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, alla fine l’acqua perde la sua carica negativa per diventare lo ione positivo H3O+, mentre l’acido acquista una carica negativa per diventare l’anione Cl–.

Teoria di Lewis e teoria di Brønsted-Lowry: confronto

Secondo la teoria di Lewis, un acido è una sostanza che può accettare un doppietto di elettroni da un’altra specie chimica, mentre una base è una sostanza che può cedere un doppietto elettronico non legato a un’altra sostanza.

Quindi, stando alla sua teoria, si verifica un trasferimento di elettroni dalla base all’acido piuttosto che uno scambio di elettroni. Secondo altri chimici che precedettero i suoi studi, invece, lo scambio coinvolgeva ioni idrogeno (H+). Non solo, ma la dinamica della reazione era invertita. Tuttavia, a livello di equilibrio di carica, tuttavia, le teorie combaciavano.

Per Lewis tra acido e base c’è una cessione di elettroni, per Brønsted-Lowry invece si tratta di una reazione di deprotonazione con successiva protonazione. 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+).

Le sostanze che Brønsted-Lowry considerano basi sono le stesse esaminate da Lewi, come l’ammoniaca. Tuttavia, per quanto riguarda gli acidi, il problema è che gli acidi forti come HCl e H₂SO₄ non accettano coppie di elettroni. Pertanto, non possono essere definiti tali da Lewis, ma possono essere definiti tali dalla teoria di Brønsted-Lowry.

D’altra parte, una differenza evidente tra le teorie di Lewis e di Brønsted-Lowry riguarda il modo in cui vengono catturate le reazioni di neutralizzazione. Sebbene il concetto di complementarità acido-base sia presente in entrambe le teorie, nel caso di Lewis è causato dalla formazione di un legame covalente tra le due molecole.

Ricapitolando, secondo la definizione di acidi e basi di Lewis:

• un acido è un composto che può ricevere un doppietto di elettroni da una sostanza chiamata base e formare un legame covalente di coordinazione;
• una base è un composto che può cedere un doppietto di elettroni a una sostanza chiamata acido.

La teoria di Lewis è quindi simile a quella di Brønsted-Lowry, ma esistono delle differenze, che sono:

• si basa sul trasferimento di coppie di elettroni;
• è l’acido a ricevere il doppietto di elettroni;

• le reazioni di neutralizzazione sono causate dalla formazione di un legame covalente di coordinazione tra la base e l’acido.

Gli acidi di Lewis sono chiamati anche sostanze elettrofile, come l’acqua.

Le basi di Lewis sono chiamate anche nucleofili, come l’ammoniaca.

Ad esempio: NH3 + H+ → NH4+

Pertanto, nella teoria di Lewis, le definizioni di acido e base vengono ampliate e una molecola con un orbitale privo di elettroni è acida, perché può accettare una coppia di elettroni ceduta da una base.

In conclusione, la teoria di Lewis fornisce un’interpretazione più soddisfacente del comportamento acido-base di alcune sostanze in soluzione rispetto alla teoria di Brønsted-Lowry.

Teoria di Lewis: le sostanze 

Secondo il concetto di acido-base definito da Lewis, tutte le basi possono essere definite molecole nucleofile. Ciò significa che allo stato neutro hanno un doppietto di elettroni non covalenti oppure sono anioni (ioni negativi). Ad esempio, l’ammoniaca (NH3) ha un doppietto azotato non legato e gli altri elettroni sono condivisi con tre idrogeni.

Gli acidi, invece, sono tutte molecole elettrofile e attirano facilmente gli elettroni di legame. È così che si definiscono gli ioni positivi, i cationi o le specie neutre con orbitali privi di elettroni. Gli elettrofili sono coinvolti in diverse reazioni organiche, come la sostituzione elettrofila degli idrocarburi aromatici, ad esempio la clorurazione e la nitrazione.

Pertanto, secondo la teoria di Lewis, le molecole neutre ma prive di elettroni, come alcuni sali, sono acide. Ne sono un esempio il cloruro di berillio (BeCl2), il fluoruro di boro (BF3) e il cloruro di alluminio (AlCl3). Anche gli ioni positivi si comportano come acidi di Lewis, e questo vale anche per molecole come H3O+ e Br+.

Nel caso di Lewis, l’acqua è considerata una sostanza basica perché gli atomi di ossigeno che contiene hanno un doppietto libero. Per Brønsted e Lowry, invece, l’acqua è una sostanza anfotera. Ciò significa che può comportarsi come acido o come base, a seconda della sostanza con cui reagisce (come base per un acido e come acido per una base).

Esempi di reazioni acido-base per Lewis

Per comprendere meglio la teoria di Lewis, esistono reazioni che possono essere studiate utilizzando le molecole sopra elencate.

Ad esempio, analizziamo una reazione che coinvolge il fluoruro di boro (BF3) come acido, quando viene combinato con l’ammoniaca NH3. Le due molecole, in cui è avvenuto uno scambio di elettroni, si combinano seguendo la reazione NH3 + BF3 → NH3 ⋅ BF3 per formare un nuovo composto.

Un’altra reazione acido-base di Lewis è la reazione del cloruro di alluminio con lo ione negativo cloro (Cl-). L’equazione può essere scritta come AlCl3 + Cl- → AlCl4- dove AlCl3 ha un orbitale vuoto e reagisce prontamente in presenza di anioni.