루이스 산염기

루이스 산염기는 화학에서 산과 염기를 정의하는 이론 중 하나로, 1923년 길버트 뉴턴 루이스(Gilbert N. Lewis)가 제안했다. 이 이론은 전자쌍의 이동을 중심으로 산과 염기를 정의하며, 기존의 아레니우스 산염기나 브뢴스테드-로우리의 산염기 이론보다 더 넓은 범위의 반응을 산염기 반응으로 설명할 수 있게 한다.

정의

• 루이스 산 (Lewis Acid): 화학 반응에서 전자쌍을 받아들이는 화학종이다.
  • 전자쌍을 받아들일 수 있는 빈 오비탈을 가진 화학종들이 루이스 산으로 작용하는 경우가 많다.
  • 예시: 양이온 (H⁺, Fe²⁺, Al³⁺), 옥텟 규칙을 만족하지 못하는 원자를 포함하는 분자 (BF₃, AlCl₃), 극성 다중 결합을 가진 분자의 중심 원자 (CO₂, SO₂).
• 루이스 염기 (Lewis Base): 화학 반응에서 전자쌍을 제공하는 화학종이다.
  • 비공유 전자쌍이나 파이(π) 전자쌍을 가지고 있어 이를 제공할 수 있는 화학종들이 루이스 염기로 작용한다.
  • 예시: 음이온 (OH⁻, Cl⁻, CN⁻), 비공유 전자쌍을 가진 원자를 포함하는 분자 (NH₃, H₂O, R-OH, R₂O), 파이 전자쌍을 가진 분자 (알켄, 알카인).

루이스 산-염기 반응 (부가물 형성)

루이스 산과 루이스 염기가 반응하면, 루이스 염기가 제공한 전자쌍을 루이스 산이 받아들여 두 화학종 사이에 배위 공유 결합이 형성된다. 이 반응의 생성물을 루이스 부가물(Lewis adduct) 또는 착물(complex)이라고 한다.

• 예시: BF₃ (루이스 산) + NH₃ (루이스 염기) → F₃B-NH₃ (루이스 부가물)
  • 암모니아(NH₃)의 질소 원자가 가진 비공유 전자쌍이 루이스 염기 역할을 하고, 삼플루오린화붕소(BF₃)의 붕소 원자가 가진 빈 p 오비탈이 루이스 산 역할을 하여 배위 공유 결합을 형성한다.

다른 산염기 이론과의 관계

루이스 산염기 이론은 아레니우스 및 브뢴스테드-로우리의 산염기 이론을 포괄하는 더 넓은 개념이다.

• 아레니우스 이론: 수용액에서의 H⁺와 OH⁻에 국한된다.
• 브뢴스테드-로우리의 이론: 양성자(H⁺)의 이동에 초점을 맞춘다. 루이스 산염기 이론에서 양성자(H⁺)는 전자쌍을 받아들이는 루이스 산으로 간주될 수 있으며, 브뢴스테드-로우리의 산-염기 반응은 루이스 산-염기 반응의 한 종류로 설명된다 (예: H⁺ + :NH₃ → NH₄⁺).
• 루이스 이론: 양성자 이동이 없는 반응(예: 금속 이온과 리간드의 반응, BF₃와 NH₃의 반응)도 산염기 반응으로 설명할 수 있어 가장 포괄적이다.

활용

루이스 산염기 개념은 착화합물 형성, 유기화학 반응 메커니즘 설명(친전자체와 친핵체의 반응), 고체 산촉매 등 다양한 화학 분야에서 중요하게 활용된다.