Quand tu penses aux acides, qu'est-ce qui te vient à l'esprit ? Peut-être penses-tu à des aliments acides comme l'ananas ou le vinaigre, ou peut-être penses-tu à la définition plus technique, où une espèce chimique donne un proton. Cette définition d'un acide est tirée de la théorie de BrØnsted-Lowry.
Aujourd'hui, nous allons parler d'une théorie différente : la théorie des acides et des bases de Lewis.
Dans ce résumé de cours, nous allons découvrir les bases et acides de Lewis : ce qu'ils sont quelques exemples et comment déterminer leur force.
- Ce résumé de cours traite des acides et des bases de Lewis.
- Tout d'abord, nous définirons ce que sont les acides et les bases de Lewis.
- Ensuite, nous examinerons quelques exemples d'espèces chimiques d'acides et de bases de Lewis.
- Nous apprendrons la formation des complexes de coordination.
- Ensuite, nous apprendrons à déterminer la force des acides et des bases de Lewis.
- Nous aborderons les nucléophiles et les électrophiles.
- Enfin, nous travaillerons sur quelques problèmes pratiques sur les bases et les acides de Lewis.
Acides et bases de Lewis : Électron
Un acide de Lewis est une espèce qui accepte un doublet d'électrons. Ces espèces sont également appelées électrophiles, car elles "aiment les électrons" ou "attirent les électrons".
Une base de Lewis est une espèce qui donne un doublet d'électrons. Ces espèces sont également appelées nucléophiles, car elles "aiment le noyau", c'est-à-dire qu'elles veulent se rapprocher de leur noyau en se débarrassant des électrons.
Acide de Lewis : Liaison covalente
Dans une réaction acide-base de Lewis, la base "attaque" l'acide et donne un doublet d'électrons. Cela entraîne la formation d'une liaison covalente entre les deux.
Cette réaction générale est illustrée ci-dessous :
Fig.1- La base de Lewis "attaque" l'acide et forme une liaison.
Parlons maintenant de cette réaction au niveau orbital. La paire d'électrons solitaires de la base (électrons non liés) se trouve dans son orbitale moléculaire la plus occupée (appelée HOMO). La base prend ces électrons et interagit avec l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse de l'acide (appelée LUMO). Lorsqu'ils interagissent, ils forment une liaison à un niveau d'énergie inférieur, comme illustré ci-dessous :
Fig.2- Le HOMO de la base interagit avec le LUMO de l'acide pour former une liaison.
Acides et de bases de Lewis : Espèce chimique
Maintenant que nous savons à quoi ressemble la réaction générale, examinons quelques exemples :
Fig.3- Acide de Lewis.
Dans l'exemple du haut, l'ion fluorure \( F^- \) est notre base, qui attaque le composé acide trifluorure de bore \( BF_3 \) . Après la réaction, une nouvelle liaison \( B-F \) est formée (en rouge) pour donner le nouveau composé tétrafluorure de bore \( BF_4^- \) .
Dans l'exemple du bas, l'ammoniac \(NH_3 \) est notre base et réagit avec le proton acide/l'ion hydrogène \( H^+ \) . Cela forme une nouvelle liaison \( N-H \) et le nouveau composé ammonium \( NH_4^+ \) .
Fig.4- Base de Lewis.
En général, si une espèce a une charge négative, il s'agit d'une base. En revanche, si une espèce a une charge positive, il s'agit d'un acide.
Réfléchis à ce que cette charge nous apprend. Par exemple, les espèces à charge positive manquent d'électrons, ce qui signifie qu'elles sont probablement des acides puisqu'elles veulent plus d'électrons.
Complexes de coordination
La théorie de Lewis des acides et des bases est importante, car elle est capable d'expliquer la formation des complexes de coordination, alors que d'autres théories n'y parviennent pas.
Les complexes de coordination sont des espèces où un ion métallique est l'atome central et où d'autres espèces (appelées ligands) sont liées à lui.
Les complexes de coordination se forment à partir de réactions acide-base répétées, comme indiqué ci-dessous :
Fig.5- Formation du complexe de coordination tétracyanure de zinc
Ici, l'ion cyanure \( CN^- \) attaque l'ion zinc chargé positivement \( Zn^{2+} \) , ce qui forme une liaison entre eux. Cette réaction se produit \( 4 \) fois, pour un total de \( 4 \) liaisons \( Zn-CN \) . On considère qu'il s'agit d'un ion complexe puisqu'il s'agit d'un composé de coordination chargé.
En général, la base de Lewis sera ton (tes) ligand(s), tandis que ton acide de Lewis sera l'atome/l'ion métallique.
Acides de Lewis : Force
Les acides de Lewis sont électrophiles, leur force est donc basée sur l'électrophile.
Électrophile
L'électrophilie repose (principalement) sur deux éléments :
- la charge ;
- L'électronégativité.
Examinons ces deux concepts séparément :
Les électrophiles ont tendance à avoir une charge positive. Une charge positive indique un manque d'électrons/de densité d'électrons, ce qui signifie qu'elle souhaite fortement obtenir des électrons. C'est pourquoi les espèces chargées positivement seront plus électrophiles que leurs homologues neutres.
D'une manière générale, les espèces chargées positivement sont plus électrophiles que leurs homologues neutres :
Où \( A \) est une espèce chargée positivement et \( X \) une espèce chargée négativement.
Par exemple :
Qu'est-ce que l'électronégativité ?
L'électronégativité mesure la tendance d'une espèce à attirer/gagner des électrons.
En d'autres termes, les espèces très électronégatives veulent/peuvent manipuler plus d'électrons.
Le tableau ci-dessous indique les valeurs d'électronégativité de la plupart des éléments :
Fig.5- Tableau des électronégativités
Les éléments les plus proches en haut à droite \( (fluor:F) \) du tableau périodique sont plus électronégatifs, ils sont donc des électrophiles plus forts.
Par exemple, voici la tendance de l'électrophilie pour le groupe \( 2 \) :
Bases de Lewis : Force
Les bases de Lewis sont des nucléophiles, leur force est donc basée sur la nucléophilie.
Nucléophile
La nucléophilie repose sur quatre éléments
- la charge ;
- l'électronégativité ;
- Résonance/localisation de la charge ;
- l'entrave stérique.
Décortiquons ces éléments un par un
Les nucléophiles ont tendance à avoir des charges négatives. En effet, les charges négatives indiquent une densité d'électrons (c'est-à-dire un excès d'électrons). Les charges négatives nous disent : "J'ai des électrons en trop et je dois m'en débarrasser !".
Donc, en général :
Où \( A^- \) est l'espèce négative (base conjuguée) de l'acide \( AH \) .
Par exemple, \( HS^- \) est plus nucléophile que \( H_2S \) .
Électronégativité des bases de Lewis
L'électronégativité étant la tendance à attirer les électrons. En fait, les espèces fortement électronégatives "aiment" avoir une charge plus négative/une densité d'électrons plus élevée, de sorte qu'elles ne veulent pas "céder" autant leurs électrons.
Par exemple, voici à quoi ressemble cette tendance pour nos halogénures (groupe \( 17 \) ) :
Résonance/localisation de la charge
Les espèces sont plus nucléophiles lorsque la charge est localisée plutôt que délocalisée, comme indiqué ci-dessous :
Fig.6- Les charges localisées sont plus nucléophiles
Le terme \( "R" \) désigne tout groupe contenant un composant carbone-hydrogène.
Lorsqu'une charge est délocalisée, comme illustré à droite, la charge est essentiellement affaiblie en étant dispersée. Comme la charge est "plus faible", elle est moins réactive et donc moins nucléophile.
Entrave stérique
Les "stériques" se rapportent à la disposition spatiale des atomes, de sorte que l'"entrave stérique" signifie que "la façon dont les atomes sont disposés signifie qu'ils sont dans le chemin".
Par exemple :
Fig.7- Plus il y a de groupes R, plus il y a d'"encombrement".
Fondamentalement, lorsqu'un nucléophile est "encombrant", la réaction est plus lente, car son encombrement est "gênant". C'est pourquoi un nucléophile encombrant est moins nucléophile.
Problèmes pratiques sur les bases et les acides de Lewis
Maintenant que nous avons couvert une grande partie des acides et des bases de Lewis, nous allons travailler sur quelques problèmes pratiques :
En utilisant ce que tu sais sur les réactions acide-base de Lewis, montre le produit de cette réaction et indique l'acide et la base de Lewis.
\( Cl^- \) est notre base de Lewis puisqu'il a une charge négative, tandis que \( Ag^+ \) est notre acide de Lewis puisqu'il a une charge positive. Dans une réaction acide-base de Lewis, la base "attaque" l'acide, de sorte qu'ils forment une liaison, ce qui signifie que le produit de la réaction est \( AgCl \) .
Essayons maintenant une réaction plus délicate :
En utilisant ce que tu sais sur les réactions acide-base de Lewis, montre le produit de cette réaction et indique l'acide de Lewis et la base de Lewis.
Fig.8- Exemple de problème
À première vue, il peut être difficile de déterminer ce qu'est la molécule de carbone. Pour t'aider, j'ai dessiné la charge partielle au-dessus de l'atome de carbone. Cette molécule est un électrophile (acide de Lewis), en raison de la charge partielle positive du carbone.
La molécule d'eau possède deux paires solitaires et peut donc donner des électrons. Elle est donc une base de Lewis.
Passons maintenant au produit. Le carbone ne peut avoir que quatre liaisons, alors comment la base peut-elle se lier à lui ? Eh bien, les électrons de l'une des liaisons carbone-oxygène sont redonnés à l'oxygène, ce qui lui confère une charge négative. Maintenant que le carbone possède à nouveau trois liaisons, il peut se lier à la base et être complètement neutre, comme le montre le schéma ci-dessous :
Fig.9- Exemple résolu sur l'attaque nucléophile.
Acide de Lewis - Points clés
- Un acide de Lewis est une espèce chimique qui accepte une paire d'électrons.
- Ces espèces sont également appelées électrophiles, car elles "aiment les électrons" ou "attirent les électrons".
- Une base de Lewis est une espèce qui donne un doublet d'électrons.
- Ces espèces sont également appelées nucléophiles, car elles "aiment le noyau", c'est-à-dire qu'elles veulent se rapprocher de leur noyau en se débarrassant d'électrons.
- Les complexes de coordination sont des espèces où un ion métallique est l'atome central et où d'autres espèces (appelées ligands) sont liées à lui.
- L'acide de Lewis est le centre métallique, tandis que la base de Lewis est le(s) ligand(s).
La force d'un acide de Lewis est basée sur :
- La charge : Les espèces chargées positivement sont plus fortes ;
- L’électronégativité : Les espèces moins électronégatives sont plus fortes.
- La force d'une base de Lewis est basée sur :
- La charge : Les espèces chargées négativement sont plus fortes ;
- L'électronégativité : Les espèces plus électronégatives sont plus fortes.
- La résonance/la localisation de la charge : La charge localisée est plus forte que la charge délocalisée.
- Gêne stérique : Les espèces encombrantes sont plus faibles.
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