Die Lewis-Theorie von Säuren und Basen, benannt nach dem Chemiker GN Lewis, versucht zu klären, wie zwei Klassen von Chemikalien – Säuren und Basen – miteinander interagieren. Eine Lewis-Säure ist definiert als eine Substanz, die in einer chemischen Reaktion ein Elektronenpaar aufnimmt, während eine Lewis-Base eine Substanz ist, die ein Elektronenpaar abgibt. Obwohl die Lewis-Definitionen nicht das am weitesten verbreitete Verständnis von Säuren und Basen sind, sind sie breit und nützlich für das Studium vieler verschiedener Reaktionstypen.
Chemische Verbindungen bestehen aus Atomen, die miteinander verbunden sind, um ein Molekül zu bilden. Jedes dieser Atome besteht aus einem positiv geladenen Kern und einer bestimmten Anzahl von Elektronen, die eine negative Ladung tragen. Die Elektronen umkreisen den Kern in einer Reihe von Orbitalen oder unterschiedlichen Energieniveaus.
Wenn ein Atom einen Elektronenmangel hat – oder mit anderen Worten, wenn es Platz in seinen Orbitalen hat, um es zu füllen – kann es Elektronen von einem anderen Atom anziehen und die beiden Substanzen durch eine chemische Bindung verbinden, in der die Elektronen geteilt werden. Eine Lewis-Base ist die Verbindung, die bei diesem Vorgang ein Elektronenpaar abgibt. Die Elektronen in einer Bindung sind oft ungleichmäßig auf zwei Atome verteilt, sodass die Base sie effektiv an die andere Verbindung „verlieren“ kann.
Die Lewis-Theorie ist nützlich, um zu erklären, warum bestimmte chemische Reaktionen ablaufen. Kohlendioxid (CO2) reagiert beispielsweise mit Wasser (H2O) zu Kohlensäure (H2CO3). Ein an zwei Sauerstoffatome gebundenes Kohlenstoffatom erzeugt Kohlendioxid, während zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom Wasser bilden.
Bei der Reaktion gibt das Sauerstoffatom des Wassers ein Elektronenpaar an das Kohlenstoffatom des Kohlendioxids ab, wodurch eine Bindung zwischen den beiden Molekülen entsteht. Das Wasser ist in dieser Situation eine Lewis-Base, da es der Elektronendonor ist. Kohlendioxid nimmt die Elektronen in seine Struktur auf, ist also die Lewis-Säure.
Die obige Reaktion konnte nicht mit der anderen populären Theorie von Säure und Basen, dem Bronsted-Lowry-Modell, beschrieben werden, da sie keinen Protonentransfer beinhaltet. Die Bronsted-Lowry-Theorie basiert im Gegensatz zur Lewis-Theorie auf der Protonenspende. In diesem System ist die Säure die Verbindung, die ein positiv geladenes Teilchen, ein sogenanntes Proton, abgibt, während die Base der Protonenakzeptor ist. Obwohl dieses Modell bei der Beschreibung vieler Wechselwirkungen nützlich ist, wird die Lewis-Theorie manchmal aufgrund ihres breiteren Anwendungsbereichs bevorzugt.
Lewis-Basen werden in verschiedene Typen eingeteilt, je nachdem, welches Elektronenorbital das Elektronenpaar spendet. Oft ist eine Lewis-Base ein Anion – eine Substanz oder Verbindung, die aufgrund eines Überflusses an Elektronen eine negative Ladung trägt. Ammoniak gilt als Lewis-Base, ebenso wie Wasser und bestimmte organische Verbindungen.