Льюисийн хүчил-суурь онол: Илүү өргөн хүрээтэй бөгөөд ерөнхий ойлголт
Пендахулуан
Исаак Ньютон нэгэнтээ аварга биетүүдийн мөрөн дээр зогсож байж цааш харж чадна гэж хэлсэн бөгөөд химийн салбарт өнөөдөр бидний хүлээн зөвшөөрч буй олон үндсэн зарчмууд нь өмнөх эрдэмтдийн бүтээл дээр үндэслэсэн байдаг. Эдгээр чухал дэвшлүүдийн нэг нь 1923 онд Гилберт Н. Льюисийн нэвтрүүлсэн хүчил ба суурийн тухай Льюисийн онол байв. Энэхүү онол нь хүчил ба суурийн тухай ойлголтыг хялбарчилж, өргөжүүлж, орчин үеийн химид ойлгоход хялбар болгож, хэрэгжүүлэхэд хялбар болгосон.
Оршил болгон Льюисийн өмнө санал болгосон хүчил ба суурийн онолыг авч үзье. Нэгдүгээрт, Аррениусын хүчил-суурийн онол нь хүчил нь уусмал дахь устөрөгчийн ионуудын (H⁺) концентрацийг нэмэгдүүлэх чадвартай нэгдэл, харин суурь нь гидроксидын ионуудын (OH⁻) концентрацийг нэмэгдүүлэх чадвартай нэгдэл гэж үздэг. Хожим нь шинжлэх ухааны нийгэмлэг Бронстед-Лоуригийн хүчил-суурийн онолыг хүлээн зөвшөөрсөн бөгөөд энэ тодорхойлолтыг хүчил нь протон (H⁺) донор, суурь нь протоны хүлээн авагч гэж мэдэгдсэнээр өргөжүүлсэн. Гэсэн хэдий ч хоёр онолын тодорхойлолт нь хязгаарлалттай байдаг, ялангуяа протон эсвэл гидроксидын ионуудыг шууд оролцуулдаггүй химийн урвалыг авч үзвэл.
Тодорхойлолт ба Зарчмууд Хүчиллэг суурь Льюисийн хэлснээр
Гилберт Н. Льюис энэ дутагдлыг хүлээн зөвшөөрч, хүчил ба суурийн илүү ерөнхий тодорхойлолтыг санал болгосон. Льюисийн хүчил-суурийн онолд хүчил нь электрон хосын хүлээн авагч гэж тодорхойлогддог бол суурь нь электрон хосын донор юм. Энэхүү тодорхойлолт нь усан уусмал болон протонтой холбоотой урвалуудаас гадна янз бүрийн төрлийн химийн урвалын талаар илүү өргөн ойлголттой болох боломжийг олгодог.
Энэ онолын сонгодог жишээ бол аммиак (NH3) ба борын хүчил (BF3) хоорондын урвал юм. Энэ тохиолдолд NH3 нь Льюисийн суурь болж үйлчилдэг, учир нь энэ нь азотын атом дээрх электрон хосыг BF3 дахь электрон дутагдалтай борын атомд өгдөг бөгөөд энэ нь Льюисийн хүчил болж үйлчилдэг. Льюисийн суурийн электрон хос ба Льюисийн хүчлийн электрон хүлээн авагчийн хоорондох холболт нь илүү тогтвортой нэмэлт цогцолбор үүсэхэд хүргэдэг.
Льюисийн онолын бас нэгэн чухал тал
Льюисийн онолын нэг давуу тал нь Аррениус эсвэл Бронстед-Лоуригийн онолоор тайлбарлах боломжгүй урвалуудыг тайлбарлах чадвар юм. Үүнд протоныг шууд оролцуулдаггүй урвалууд багтана. Жишээлбэл, янз бүрийн органометалл болон координатын химийн урвалуудад ...-ийн хоорондох харилцан үйлчлэл ... шилжилтийн металлууд мөн лигандуудыг Льюисийн хүчил ба суурийн тухай ойлголтыг ашиглан хялбархан тайлбарлаж болно.
1. Орбиталуудын тухай ойлголт ба харилцан үйлчлэлийн төрлүүд
Льюисийн хүчил-суурийн онолын чухал хүчин зүйл бол орбиталууд болон хүчил ба суурийн харилцан үйлчлэлийн төрлүүдийг ойлгох явдал юм. Жишээлбэл, шилжилтийн металлын d-орбиталууд нь Льюисийн суурийн үүрэг гүйцэтгэдэг лигандуудтай холбогдоход ихэвчлэн үүрэг гүйцэтгэдэг. Эдгээр харилцан үйлчлэл нь нэгэн төрлийн катализ, супрамолекулын хими зэрэг олон химийн хэрэглээнд зайлшгүй шаардлагатай зохицуулалтын цогцолборууд үүсэх үндэс суурь болдог.
2. Нэмэлтүүдийн тогтвортой байдал
Льюисийн хүчил ба суурийн хооронд үүссэн нэмэлт цогцолборуудын тогтвортой байдлыг геометрийн нийцтэй байдал, электростатик харилцан үйлчлэлийн энерги, туйлшрал зэрэг янз бүрийн параметрүүдээр шинжилж болно. Жишээлбэл, электрон хамаарал болон молекулын гурван хэмжээст бүтэц зэрэг шинж чанарууд нь электрон хосыг хэр хүчтэй хүлээн авах эсвэл хандивлахад нөлөөлж болно.
3. Катализ дахь хэрэглээ
Теори хүчиллэг суурь Льюисийн хүчил нь катализд, ялангуяа гетероген ба нэгэн төрлийн хүчил-суурь катализд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Катализаторууд нь бага идэвхжүүлэлтийн энерги бүхий өөр замыг олгосноор урвалыг хурдасгадаг. Олон шилжилтийн металлын катализаторууд нь электрон хосыг хүлээн авах замаар субстратыг идэвхжүүлэхийн тулд Льюисийн хүчлийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Жишээлбэл, устөрөгчжүүлэлтийн катализд цагаан алт эсвэл палладий зэрэг металлууд нь устөрөгчийн молекулуудын холболт болон идэвхжлийг хөнгөвчилдөг.
Льюисийн онолын харьцуулалт ба хязгаарлалтууд
Льюисийн хүчил-суурь онол нь илүү өргөн хүрээг хамардаг ч Аррениус болон Бронстед-Лоуриг бүрэн орлодоггүй. Онол бүр тодорхой төрлийн урвалыг тайлбарлахад өөрийн гэсэн давуу болон хэрэглээтэй байдаг. Жишээлбэл, Аррениусын онол нь ойлгоход маш их хэрэгтэй байдаг уусмал дахь электролитийн шинж чанар усан орчинд, харин Бронстед-Лоуригийн онол нь усан бус уусгагч эсвэл хийн фаз дахь хүчил-суурь урвалд илүү хамаатай.
Льюисийн онолын нэг хязгаарлалт нь хүчил ба суурийн тодорхойлолт нь маш ерөнхий тул квант хими эсвэл спектроскопийн шинжилгээ гэх мэт илүү гүнзгий химийн ойлголтуудын тусламжгүйгээр тодорхой нөхцөлд шууд тайлбарлахад заримдаа хэцүү байдагт оршино. Льюисийн онолыг заах, хэрэгжүүлэх нь үнэхээр үр дүнтэй байхын тулд ихэвчлэн тодорхой жишээ, гүнзгий дүн шинжилгээ шаарддаг.
Дүгнэлт ба нөлөө
Льюисийн хүчил-суурийн онол нь химийн харилцан үйлчлэлийн талаарх бидний ойлголтыг илүү уян хатан тодорхойлолт, өргөн хэрэглээгээр өргөжүүлдэг. Хүчлийг электрон хос хүлээн авагч, суурийг электрон хос донор гэж тодорхойлсноор уг онол нь янз бүрийн төрлийн химийн урвалыг ойлгоход шинэ хэмжээсийг нээж өгдөг. Үүнд органик металлын химийн зохицуулалтын цогцолборууд болон каталитик урвалууд гэх мэт устөрөгчийн ион эсвэл гидроксидын ионуудыг шууд оролцуулдаггүй урвалууд орно.
Ерөнхийдөө Гилберт Н. Льюисийн энэхүү онолд оруулсан хувь нэмэр нь химийн үндэс суурийг бэхжүүлээд зогсохгүй цаашдын шинжлэх ухааны судалгаанд үнэ цэнэтэй хэрэгсэл болсон юм. Энэхүү онолыг илүү гүнзгий ойлгох нь бидэнд нарийн төвөгтэй химийн үзэгдлийг ойлгоход тусалдаг бөгөөд эм зүй, шинжлэх ухааны материал, эрчим хүчний технологи зэрэг салбарт инновацийг хурдасгадаг. Тиймээс энэхүү хүчил-суурь онолын ач холбогдлыг хүлээн зөвшөөрснөөр бид үүнийг илүү өргөн хүрээний судалгаа, хэрэглээнд үнэлж, хэрэгжүүлж чадна.
