루이스 산 염기

전자쌍의 주고 받음을 통해 정의되는 산과 염기

목차

루이스(Lewis) 산 염기의 개념은 산과 염기 정의를 크게 단계별로 구분하였을 때 세 번째 단계로 등장한 정의로, 전자쌍의 주고 받음에 따라 산과 염기를 정의하는 것을 말한다. 일반적으로 전자쌍을 받는 물질인 전자쌍 받개 (electron pair acceptor)를 루이스 산(Lewis acid)으로, 전자쌍을 제공할 수 있는 물질인 전자쌍 주개(electron pair donor)를 루이스 염기(Lewis base)로 정의한다.

조금 더 구체적으로 루이스 산(Lewis Acid)은 빈 오비탈을 가지고 있기 때문에 루이스 염기로부터 전자쌍을 받을 수 있는 물질을 말한다. 예를 들어, 트라이메틸보레인(Me₃B, trimethylborane)에서 붕소는 최외각에 전자 6개를 가지고 있는 상태이기 때문에, 추가적으로 두 개의 전자(전자쌍)를 받을 수 있는 루이스 산이다.

반면 루이스 염기(Lewis Base)는 결합에 참여하고 있지 않은 전자쌍, 즉 비공유 전자쌍을 가지고 있는 물질로, 해당 전자쌍을 루이스 산에 제공하며 배위 결합을 형성하는 성질을 가지고 있다. 암모니아(NH₃)의 경우 질소에 위치한 비공유 전자쌍을 루이스 산인 물질에 제공할 수 있기 때문에 루이스 염기가 된다.

이 두 물질 사이의 산-염기 반응을 정리하면 아래와 같다. 루이스 산인 트라이메틸보레인은 루이스 염기인 암모니아로부터 전자쌍을 받아 붕소와 질소 사이의 결합이 형성된다.

루이스 산-염기의 반응

루이스 산과 염기 이름의 루이스는, 루이스 구조를 정리한 미국의 화학자 G. N Lewis가 관련 명칭 및 표현을 정리하였기에 그의 이름을 따서 부르고 있다.

가장 기본적인 산-염기 정의는 스웨덴의 화학자 아레니우스(Svante Arrhenius, 1859-1927)에 의해 제안되었다. 아레니우스는 이온의 개념에서 산-염기에 접근하여 수용액 상태에서 수소 이온(양성자 또는 하이드로늄 이온, H⁺ 또는 H₃O⁺)을 내놓는 물질을 산으로 정의하고, 수산화 이온 (OH^-)를 내놓는 물질을 염기로 정의하였다.

이후 1923년 덴마크의 화학자 브뢴스테드(Johannes Nicolaus Brønsted, 1879-1947)와 영국의 화학자 로우리(Thomas Martin Lowry, 1874-1936)가 각각 독립적으로 연구를 수행하여, 발전된 산과 염기의 정리를 보고하였다. 브뢴스테드와 로우리의 산-염기 정의는 기존에 아레니우스의 정의로는 설명할 수 없었던 기체 상태의 염산과 암모니아의 반응을 설명하기 위하여 양성자의 역할에 집중했다. 브뢴스테드-로우리 산-염기 정의에서는 양성자(H⁺)를 제공하는 물질을 산, 양성자를 받아들이는 물질을 염기로 정의하였다.

하지만 브뢴스테드-로우리의 정의로도 설명할 수 없는, 양성자가 직접 관여하지 않는 산-염기 반응이 발견되고, 이를 설명하기 위하여 보다 더 큰 개념으로 세 번째 정의인 루이스 산-염기 정의가 도입되었다.

아레니우스 정의부터 브뢴스테드-로우리 정의, 그리고 루이스 정의로 이어지는 흐름은 산-염기 개념의 확장이라고 보면 된다. 아레니우스의 염기인 수산화 이온(OH^-)은 수소 이온(H⁺)을 받아들이므로 브뢴스테드-로우리 염기이다. 아레니우스와 브뢴스테드-로우리의 산인 수소 이온(H⁺)은 수산화 이온(OH^-)이나 암모니아(NH₃)의 전자쌍을 받아들이므로 루이스 산이다. 그리고 아레니우스의 염기인 수산화 이온(OH^-)이나, 브뢴스테드-로우리의 염기인 암모니아는 모두 전자쌍을 제공하므로 루이스 염기이다. 이처럼 루이스의 산과 염기의 정의는 가장 포괄적인 정의이다.

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Svante Arrhenius ()

Johannes N. Brønsted ()

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Thomas M. Lowry ()

Gilbert N. Lewis ()

일반적으로 가장 많이 알려진 루이스 산 물질은 붕소 기반 물질이다. BF₃, BCl₃, BBr₃, BI₃와 같은 삼할로젠화 붕소 화합물과 그 외에 몇 가지 유기 붕소 화합물들은 대표적인 루이스 산이다. 또한, 비슷한 구조를 가지는 삼염화 알루미늄 화합물의 경우에도 (AlCl₃, AlBr₃ 등) 전자쌍을 받는 루이스 산의 성질을 가지고 있다.

우리가 일반적으로 ‘산’을 생각하면 떠올리는 양성자(H⁺)도 가장 간단하며 대표적인 루이스 산이다. 양성자는 비어있는 1s 오비탈에 전자쌍을 받으며 루이스 산의 역할을 수행한다.

추가적으로 아이오딘의 경우, I₃^- 형태가 종종 발견되는데, I₃^-는 I₂와 I^-가 결합하여 생성된 물질이다. 이 반응에서 I₂는 루이스 산 역할을 수행하며, 이 경우 아이오딘이 최외각에 전자를 8개 이상 가질 수 있기 때문에 해당 화합물의 형성이 가능하다.

루이스 산의 예

루이스 염기는 제공 가능한 비공유 전자쌍을 가지고 있는 분자 혹은 이온이 가능하며, 전자쌍을 줄 수 있는 음이온들, 암모니아를 포함한 대부분의 아민류 그리고 피리딘 등의 질소 원자를 포함하는 헤테로고리 화합물들이 이에 해당한다.

또한, 알킬 또는 아릴 치환체를 가지는 인 화합물(phosphine) 역시도 좋은 루이스 염기성을 보여준다. 추가적으로 산소족 원소인 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)의 경우 물이나 에터처럼 산화수가 2인 화합들이 루이스 염기가 된다.

우리 생활 주변에서 만나는 산성 물질과 염기성 물질 또는 산-염기 반응은 대부분 수용액 상에서 일어나기 때문에, 많은 경우 브뢴스테드-로우리 정의를 이용하여 산-염기 및 산-염기 반응을 설명하는 것이 유용하다. 하지만 브뢴스테드-로우리 산-염기 정의로 설명할 수 없는 범위의 산-염기를 설명할 때 루이스 산-염기 개념을 사용하여야 하며, 이때 그냥 '산'이 아닌 '루이스 산(Lewis acid)'으로 구별하여 사용하는 것이 바람직하다. 가령 BF₃ 같은 물질을 '산(acid)'라고 부르는 것은 흔하지 않은 경우이다.¹⁾

루이스 염기의 예

1. ' Brown TL, LeMay, JR HE, Bursten, BE, Murphy CJ, Woodward PM. 2012. Chemistry Central Science. 12nd edn. Illinois: Pearson.