लुईस अम्ल और क्षार



एक लुईस अम्ल (अमेरिकी भौतिक रसायनज्ञ गिल्बर्ट एन लुईस के नाम पर रखा गया है) एक रासायनिक प्रजाति है, जिसमें एक खाली कक्षा होती है जो एक लुईस क्षार से एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी को स्वीकार करने में सक्षम होती है ताकि लुईस योगोत्पाद बनाया जा सके। एक लुईस क्षार, फिर कोई भी प्रजाति है जिसमें एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी युक्त एक भरी हुआ कक्षा होती है जो सहसंयोजक बंध में सम्मिलित नहीं होती है लेकिन एक लुईस अम्ल के साथ एक दाता बंध बना सकती है। उदाहरण के लिए, अमोनिया NH3 लुईस क्षार है, क्योंकि यह इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी दान कर सकता है। ट्राइमिथाइलबोरेन (Me3B) एक लुईस अम्ल है क्योंकि यह एक जोड़ी इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करने में सक्षम है। एक लुईस जोड़े में, लुईस अम्ल और क्षार एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी साझा करते हैं जो लुईस क्षार द्वारा प्रस्तुत किया जाता है, जो एक दाता बंध बनाता है। NH3 और Me3B के बीच एक विशिष्ट रासायनिक अभिक्रिया के संदर्भ में NH3 से एक अकेली जोड़ी Me3B के खाली कक्षा के साथ एक यौगिक NH3•BMe3 बनाने के लिए एक दाता बंध बनाएगी। यह शब्दावली गिल्बर्ट एन लुईस के योगदान को संदर्भित करती है। न्यूक्लियोफाइल और इलेक्ट्रोफाइल शब्द क्रमशः लुईस क्षार और लुईस अम्ल के साथ विनिमेय हैं। सामान्यता, ये शब्द, विशेष रूप से उनके अमूर्त संज्ञा न्यूक्लियोफिलिसिटी और इलेक्ट्रोफिलिसिटी बनाते हैं, अभिक्रियाशीलता के गतिज ऊर्जा पहलू पर जोर देते हैं, जबकि लुईस क्षारता और लुईस अम्लता, लुईस योगोत्पाद के ऊष्मागतिकी पहलू पर जोर देते हैं

योगोत्पाद का चित्रण
कई मामलों में, एक जटिल लुईस क्षार और लुईस अम्ल के बीच की परस्पर क्रिया को एक तीर द्वारा इंगित किया जाता है जो लुईस क्षार के इलेक्ट्रॉनों को लुईस अम्ल की ओर एक दाता बंध के चिन्हांकन का उपयोग करते हुए दर्शाता है - उदाहरण के लिए, Me3B←NH3 कुछ स्रोत लुईस क्षार को बिन्दुओ की एक जोड़ी (स्पष्ट इलेक्ट्रॉनों का दान किया जा रहा है) के साथ इंगित करते हैं, जो क्षार से ही अम्ल के साथ जटिल में संक्रमण के लगातार प्रतिनिधित्व की अनुमति देता है।
 * Me3B + :NH3 -> Me3B:NH3

लुईस योगोत्पाद का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक केंद्र बिंदु का भी उपयोग किया जा सकता है, Me3B.NH3 जैसे एक अन्य उदाहरण बोरोन ट्राइफ्लोराइड डायथाइल ईथेरेट है, BF3*Et2O. थोड़ा अलग उपयोग में, केंद्र बिंदु का उपयोग विभिन्न क्रिस्टल में क्रिस्टलीकरण के पानी का प्रतिनिधित्व करने के लिए भी किया जाता है, जैसे कि MgSO4*7H2O जलयोजित मैग्नीशियम सल्फेट के लिए, भले ही पानी धातु के साथ एक दाता बंध बनाता हो।

यद्यपि गैर-दाता सहसंयोजक बंधों से दाता बंध को अलग करने के लिए संगणनात्मक, और प्रायोगिक ऊर्जावान मानदंड का उपयोग करने का प्रयास किया गया है, अधिकांश भाग के लिए, मुख्यता केवल इलेक्ट्रॉन जोड़ी के स्रोत पर ध्यान देता है, और दाता बंध एक बार बनने के बाद अन्य सहसंयोजक बन्धो के रूप में व्यवहार करते हैं, सामान्यता उनके पास काफी ध्रुवीय चरित्र होता है। इसके अलावा, कुछ मामलों में (जैसे, सल्फॉक्साइड्स और अमीन ऑक्साइड्स R2S->O और R3N->O), औपचारिक शुल्कों के आरेखण से बचने के लिए दाता बंध तीर का उपयोग सिर्फ एक सांकेतिक सुविधा है। सामान्य तौर पर,यद्पि, दाता-स्वीकर्ता बंधन को आदर्श सहसंयोजक बंधन और आयनिक बंधन के बीच एक निरंतरता के रूप में देखा जाता है।

लुईस अम्ल
लुईस अम्ल विविध हैं और इस शब्द का प्रयोग शिथिल रूप से किया जाता है। सबसे सरल वे हैं जो लुईस क्षार के साथ सीधे अभिक्रिया करते हैं, जैसे कि बोरॉन ट्राइहैलाइड्स और फॉस्फोरस, आर्सेनिक और एंटीमनी के पेंटाहैलाइड्।

इसी क्रम में CH3+ को मेथिलिकरण अभिक्रियाओं में लुईस अम्ल माना जा सकता है। तथापि, संघनित चरण में मिथाइल धनायन कभी भी एक मुक्त प्रजाति के रूप में नहीं होता है, और CH3I जैसे अभिकर्मकों द्वारा मेथिलिकरण अभिक्रियाएं नाभिकरागी से कार्बन तक एक बंधन के एक साथ गठन के माध्यम से और कार्बन और आयोडीन के बीच बंधन की विदलन (SN2 प्रतिक्रिया) से होती है। पाठ्यपुस्तकें इस बिंदु पर असहमत हैं: कुछ का कहना है कि एल्काइल हलाइड् इलेक्ट्रॉनरागी हैं लेकिन लुईस अम्ल नहीं हैं, जबकि अन्य एल्काइल हलाइड् का वर्णन करते हैं (उदाहरण के लिए CH3Br) लुईस अम्ल के एक प्रकार के रूप में। IUPAC गोल्ड बुक में कहा गया है कि लुईस अम्ल और लुईस क्षार अभिक्रिया करके लुईस योगोत्पाद बनाते हैं, और इलेक्ट्रॉनरागी को लुईस अम्ल के रूप में परिभाषित करते है।

सरल लुईस अम्ल
इस तरह के लुईस अम्ल के कुछ सबसे अधिक अध्ययन किए गए उदाहरण बोरॉन ट्राइहैलाइड्स और ओर्गेनोबोरेनस हैं:
 * BF3 + F− → BF4−

इस जोड़ में, सभी चार फ्लोराइड केंद्र (या अधिक सटीक रूप से, लिगेंड) समतुल्य हैं।
 * BF3 + OMe2 → BF3OMe2

दोनों BF4− और BF3OMe2 बोरॉन ट्राइफ्लोराइड के लुईस क्षार योगोत्पाद हैं।

कई योगोत्पाद ऑक्टेट नियम का उल्लंघन करते हैं, जैसे ट्रायोड्स का ऋणायन
 * I2 + I− → I3−

आयोडीन विलयन,के रंगों की परिवर्तनशीलता लुईस अम्ल I2 के साथ योगोत्पादों को बनाने के लिए विलायक की परिवर्तनशील क्षमताओं को दर्शाती है:

कुछ लुईस अम्ल दो लुईस क्षारों को बांधते हैं, एक प्रसिद्ध उदाहरण हेक्साफ्लुओरोसिलिकेट का निर्माण होता है:
 * SiF4 + 2 F− → SiF62−

जटिल लुईस अम्ल
लुईस अम्ल माने जाने वाले अधिकांश यौगिकों को लुईस क्षार के साथ जोड़ के गठन से पहले एक सक्रियण चरण की आवश्यकता होती है। एथिलेलुमिनियम सेस्क्यूक्लोराइड Et3Al2Cl3और एल्यूमीनियम क्लोराइड AlCl3 जैसे जटिल यौगिकों को ट्राइगोनल प्लानर लुईस अम्ल के रूप में माना जाता है ये लेकिन समुच्चय और बहुलक के रूप में मौजूद होते है जिसे लुईस क्षार द्वारा अवक्रमित किया जाना चाहिए। एक सरल मामला बोरेन के योगोत्पादों का निर्माण है। मोनोमेरिक BH3 पर्याप्त रूप से मौजूद नहीं है, इसलिए डाईबोरेन के क्षरण से बोरेन के योग उत्पन्न होते हैं:
 * B2H6 + 2 H− → 2 BH4−

इस मामले में, एक मध्यवर्ती B2H7− अलग किया जा सकता है।

कई धातु परिसर लुईस अम्ल के रूप में काम करते हैं, लेकिन सामान्यतः केवल अधिक कमजोर रूप से बंधे लुईस क्षार को अलग करने के बाद, प्रायःजल।
 * [Mg(H2O)6]2+ + 6 NH3 → [Mg(NH3)6]2+ + 6 H2O

 H+ लुईस अम्ल के रूप में 

प्रोटॉन (H+) सबसे प्रबल लुईस अम्ल में से एक है, लेकिन सबसे जटिल लुईस अम्ल में से भी एक है। इस तथ्य को अनदेखा करने के लिए चलन है कि एक प्रोटॉन भारी विलायक (विलायक के लिए बाध्य) है। इस सरलीकरण को ध्यान में रखते हुए, अम्ल-क्षार अभिक्रियाओं को योगोत्पादों के निर्माण के रूप में देखा जा सकता है


 * H+ + NH3 → NH4+
 * H+ + OH− → H2O

लुईस अम्ल के अनुप्रयोग
लुईस अम्ल का एक विशिष्ट उदाहरण फ्रीडेल-क्राफ्ट्स एल्कलीकरण अभिक्रिया में है। AlCl3 द्वारा एक क्लोराइड आयन अयुग्मित युग्म की स्वीकृति करता है जिससे AlCl4 का निर्माण होता है और अत्यधिक अम्लीय, यानी इलेक्ट्रोफिलिक, कार्बोनियम आयन का निर्माण होता है।
 * RCl +AlCl3 → R+ + AlCl4−

लुईस क्षार
एक लुईस क्षार एक परमाणु या आणविक प्रजाति है जहां सबसे अधिक व्याप्त आणविक कक्षीय (HOMO) अत्यधिक स्थानीयकृत है। विशिष्ट लुईस क्षार अमोनिया और एल्काइल एमाइन जैसे पारंपरिक अमाइन हैं। अन्य आम लुईस क्षारों में पिरिडीन और इसके व्युत्पन्न सम्मिलित हैं। लुईस क्षार के कुछ मुख्य वर्ग हैं
 * सूत्र NH3− xRx की एमीन्स ,जहाँ R = ऐल्किल या ऐरिल। इनसे संबंधित पिरिडीन और इसके व्युत्पन्न हैं।
 * फॉर्मूला PR3− xAx के फॉस्फीन, जहाँ R =एल्काइल, A= एरील।
 * O, S, Se और Te के यौगिक ऑक्सीकरण अवस्था -2 में, जिनमें जल, ईथर, कीटोन्स सम्मिलित हैं

सबसे सामान्य लुईस क्षार ऋणायन हैं। लुईस क्षारकता की ताकत मूल अम्ल pKa के साथ संबंध रखती है उच्च pKa अम्ल अच्छे लुईस क्षार देते हैं। हमेशा की तरह, एक कमजोर अम्ल का एक मजबूत संयुग्म क्षार होता है।


 * इलेक्ट्रॉन जोड़ी दाता की सामान्य परिभाषा के आधार पर लुईस क्षारों के उदाहरणों में सम्मिलित हैं:
 * सरल ऋणायन, जैसे हाइड्राइड H−और फ्लोराइड F−
 * अन्य एकाकी-जोड़ी युक्त प्रजातियां, जैसे कि H2O, NH3, HO−और CH3−
 * जटिल ऋणायन, जैसे सल्फेट
 * इलेक्ट्रॉन से भरपूर $\pi$-प्रणाली लुईस क्षार, जैसे एथाइन, एथीन और बेंजीन

लुईस क्षार की ताकत का मूल्यांकन विभिन्न लुईस अम्ल के लिए किया गया है, जैसे I2, SbCl5, and BF3.

लुईस क्षारों के अनुप्रयोग
लगभग सभी इलेक्ट्रॉन युग्म दाता जो बाध्यकारी संक्रमण तत्वों द्वारा यौगिकों का निर्माण करते हैं, उन्हें लुईस क्षार-या लिगैंड् के संग्रह के रूप में देखा जा सकता है। इस प्रकार लुईस क्षार का एक बड़ा अनुप्रयोग धातु उत्प्रेरक की गतिविधि और चयनात्मकता को संशोधित करना है। काइरल लुईस क्षार इस प्रकार एक उत्प्रेरक पर काइरलिटी प्रदान करते हैं,ये असममित उत्प्रेरक को सक्षम करते हैं, जो औषधि के उत्पादन के लिए उपयोगी है।

कई लुईस क्षार बहुदंतुक हैं,यानी वे लुईस अम्ल के लिए कई बंध बना सकते हैं। इन बहुदंतुक लुईस क्षारों को कीलेटिंग एजेंट कहा जाता है।

हार्ड और सॉफ्ट वर्गीकरण
लुईस अम्ल और क्षार को सामान्यतः उनकी कठोरता या कोमलता के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है। इस संदर्भ में कठिन का तात्पर्य छोटे और गैर-ध्रुवीय से है और नरम का तात्पर्य उनसे है जो बड़े परमाणुओं को इंगित करते है जो अधिक ध्रुवीकरण योग्य हैं।
 * विशिष्ट कठोर अम्ल: H+, क्षार/क्षारीय मृदा धातु धनायन, बोरेन, Zn2+
 * विशिष्ट नरम अम्ल: Ag+, Mo(0), Ni(0), Pt2+
 * विशिष्ट कठोर क्षार: अमोनिया और एमाइन, पानी, कार्बोक्सिलेट्स, फ्लोराइड और क्लोराइड
 * विशिष्ट नरम क्षार: ऑर्गनोफॉस्फिन्स, थियोईथर, कार्बन मोनोऑक्साइड, आयोडाइड

उदाहरण के लिए, एक अमाइन अम्ल BF3 के साथ फॉस्फीन को योगोत्पाद से विस्थापित कर देगा. इसी प्रकार क्षारों का वर्गीकरण किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन परमाणु से एक अकेला जोड़ा दान करने वाले क्षार नाइट्रोजन परमाणु के माध्यम से दान करने वाले क्षारों की तुलना में कठिन होते हैं। यद्यपि वर्गीकरण को कभी भी परिमाणित नहीं किया गया था, यह प्रमुख अवधारणाओं का उपयोग करते हुए, कठोर अम्ल-कठोर क्षार और नरम अम्ल-नरम क्षार परस्पर क्रिया कठोर अम्ल-नरम क्षार या नरम अम्ल- कठोर क्षार से अधिक मजबूत होते हैं, यह योगोत्पाद गठन की ताकत का अनुमान लगाने में बहुत उपयोगी साबित हुआ। बाद में जाँच के ऊष्मप्रवैगिकी की जांच ने सुझाव दिया कि कठोर-कठोर अंतःक्रियाएं एन्थैल्पी पक्षधर हैं, जबकि नरम-नरम एन्ट्रापी के पक्षधर हैं।

लुईस अम्लता की मात्रा निर्धारित करना
लुईस अम्लता का मूल्यांकन और भविष्यवाणी करने के लिए कई तरीके तैयार किए गए हैं। कई स्पेक्ट्रोस्कोपिक हस्ताक्षरों पर आधारित होते हैं जैसे शिफ्ट NMR सिग्नल या IR बैंड उदाहरण गुटमैन-बेकेट विधि और चिल्ड्स तरीका।

ECW मॉडल एक मात्रात्मक मॉडल है जो लुईस अम्ल क्षार परस्पर क्रिया -ΔH की ताकत का वर्णन और भविष्यवाणी करता है। मॉडल ने कई लुईस अम्ल और क्षार को E और C पैरामीटर दिए। प्रत्येक अम्ल की विशेषता एक EA और एक CA है इसी तरह प्रत्येक क्षार की अपनी विशेषता EBऔर CB है। E और C पैरामीटर क्रमशः इलेक्ट्रोस्टैटिक और सहसंयोजक योगदान को संदर्भित करते हैं जो बांड की ताकत में अम्ल और क्षार बनेंगे, समीकरण है:


 * −ΔH = EAEB + CACB + W

W पद अम्ल-क्षार अभिक्रिया के लिए निरंतर ऊर्जा योगदान का प्रतिनिधित्व करता है जैसे डाइमेरिक अम्ल या क्षार की दरार। समीकरण अम्ल और क्षार ताकत के उलट होने की भविष्यवाणी करता है। समीकरण की चित्रमय प्रस्तुतियों से पता चलता है कि लुईस क्षार की ताकत या लुईस अम्ल की ताकत का एक ही क्रम नहीं है। और एकल गुण पैमाने अम्ल या क्षार की एक छोटी श्रेणी तक सीमित हैं।

इतिहास
अवधारणा की उत्पत्ति गिल्बर्ट एन. लुईस से हुई जिन्होंने रासायनिक बंधन का अध्ययन किया। 1923 में, लुईस ने लिखा था कि एक अम्ल वह पदार्थ है जो अपने स्वयं के परमाणुओं में से एक के स्थिर समूह को पूरा करने के लिए दूसरे अणु से एक इलेक्ट्रॉन अयुग्मित युग्म नियोजित कर सकता है। मिस्लर, एल.एम., टार, डी.ए., (1991) पृ. 166 - खोजों की तालिका लुईस सिद्धांत के लिए प्रकाशन/रिलीज़ की तारीख को 1923 मानती है।  ब्रोंस्टेड-लोरी एसिड-बेस सिद्धांत उसी वर्ष प्रकाशित हुआ था। दो सिद्धांत अलग हैं लेकिन पूरक हैं। लुईस बेस भी ब्रोन्स्टेड-लोरी बेस है, लेकिन लुईस एसिड को ब्रोंस्टेड-लोरी एसिड होने की आवश्यकता नहीं है। 1963 में हार्ड और सॉफ्ट एसिड और बेस (एचएसएबी सिद्धांत) में वर्गीकरण। लुईस एसिड-बेस इंटरैक्शन की ताकत, जैसा कि एक जोड़ के गठन के मानक एन्थैल्पी द्वारा मापा जाता है, ड्रैगो-वेलैंड दो-पैरामीटर समीकरण द्वारा भविष्यवाणी की जा सकती है।

लुईस सिद्धांत का सुधार
लुईस ने 1916 में सुझाव दिया था कि इलेक्ट्रॉनों की जोड़ी साझा करके दो परमाणुओं को एक रासायनिक बंधन में एक साथ रखा जाता है। जब प्रत्येक परमाणु ने बंधन में एक इलेक्ट्रॉन का योगदान दिया, तो इसे सहसंयोजक बंधन कहा जाता था। जब दोनों इलेक्ट्रॉन एक परमाणु से आते हैं, तो इसे मूल सहसंयोजक बंधन या समन्वय बंधन कहा जाता है। भेद बहुत स्पष्ट नहीं है। उदाहरण के लिए, अमोनिया और हाइड्रोजन से अमोनियम आयन के निर्माण में अमोनिया अणु हाइड्रोजन को इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी दान करता है; बनने वाले अमोनियम आयन में इलेक्ट्रॉनों की पहचान खो जाती है। फिर भी, लुईस ने सुझाव दिया कि एक इलेक्ट्रॉन-जोड़ी दाता को क्षार के रूप में वर्गीकृत किया जाना चाहिए और एक इलेक्ट्रॉन-जोड़ी स्वीकर्ता को अम्ल के रूप में वर्गीकृत किया जाना चाहिए।

लुईस अम्ल की एक और अधिक आधुनिक परिभाषा एक परमाणु या आणविक प्रजाति है जो कम ऊर्जा के स्थानीय खाली परमाणु कक्षीय या आणविक कक्षीय कक्षीय है। यह निम्नतम-ऊर्जा आणविक कक्षीय (LUMO) इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी को समायोजित कर सकता है।

ब्रोंस्टेड-लोरी सिद्धांत के साथ तुलना
एक लुईस क्षार अक्सर ब्रोंस्टेड-लोरी क्षार होता है क्योंकि यह H+ को इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी दान कर सकता है+; प्रोटॉन एक लुईस अम्ल है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी को स्वीकार कर सकता है। ब्रोंस्टेड-लोरी अम्ल का संयुग्म क्षार भी डीप्रोटोनेशन के रूप में लुईस क्षार है जैसे H+ की हानि अम्ल से उन इलेक्ट्रॉनों को छोड़ देता है जो संयुग्म क्षार पर एक अकेले जोड़े के रूप में A—H बंधन के लिए उपयोग किए जाते थे। सामान्यतः, एक लुईस क्षार प्रोटोनेशन के लिए बहुत मुश्किल हो सकता है, फिर भी लुईस अम्ल के साथ अभिक्रिया करता है। उदाहरण के लिए, कार्बन मोनोआक्साइड एक बहुत कमजोर ब्रोंस्टेड-लोरी क्षार है लेकिन यह BF3 के साथ एक मजबूत जोड़ बनाता है।

ब्राउन और कनेर द्वारा लुईस और ब्रोंस्टेड-लोरी अम्लता की एक और तुलना में, 2,6-डाइ-टी-ब्यूटिलपायरीडीन HCl के साथ हाइड्रोक्लोराइड नमक बनाने के लिए अभिक्रिया करता है लेकिन BF3के साथ अभिक्रिया नहीं करता है. यह उदाहरण दर्शाता है कि स्टायरिक कारक, इलेक्ट्रॉन विन्यास कारकों के अलावा, भारी डाइ-टी-ब्यूटिलपायरीडीन और छोटे प्रोटॉन के बीच परस्पर क्रिया की ताकत का निर्धारण करने में एक भूमिका निभाते हैं।

यह भी देखें

 * अम्ल
 * क्षार (रसायन विज्ञान)
 * अम्ल-क्षार अभिक्रिया
 * ब्रोंस्टेड-लोरी अम्ल-क्षार सिद्धांत
 * चिरल लुईस अम्ल
 * निराश लुईस जोड़ी
 * गुटमैन-बेकेट विधि
 * ईसीडब्ल्यू मॉडल