Реакция одиночного смещения

Внешние видео
Внешние видео
	Реакция калия и воды , 2011 г.
	Реакция магния и воды , 2011 г.

Внешние видео
Внешние видео
	CuCl 2 и железо. Часть 2 , 2011 г.
	Реакция CuCl 2 с Al , 2011 г.
	Медный купорос и железо: Часть 1 , 2011

Реакция однократного замещения , также известная как реакция однократного замещения или реакция обмена , является архаичной концепцией в химии. Он описывает стехиометрию некоторых химических реакций , в которых один элемент или лиганд заменяется атомом или группой. ^[1]^[2]^[3]

В общем виде это можно представить так:

{\ce {A + BC -> AC + B}}

где либо

${\ce {A}}$ и ${\ce {B}}$ это разные металлы (или любой элемент, образующий катион , например водород) и ${\ce {C}}$ является анионом ; ^[2] или

${\ce {A}}$ и ${\ce {B}}$ являются галогенами и ${\ce {C}}$ является катионом . ^[2]

Чаще всего это происходит, если ${\ce {A}}$ более реактивен, чем ${\ce {B}}$ , что дает более стабильный продукт. Реакция в этом случае является экзергонической и спонтанной.

В первом случае, когда ${\ce {A}}$ и ${\ce {B}}$ являются металлами, ${\ce {BC}}$ и ${\ce {AC}}$ обычно представляют собой водные соединения (или очень редко в расплавленном состоянии) и ${\ce {C}}$ является ионом-зрителем (т.е. остается неизменным). ^[1]

{\ce {A(s) + \underbrace{B+(aq) + C^{-}(aq)}_{BC(aq)}-> \underbrace{A+(aq) + C^{-}(aq)}_{AC(aq)}+ B(s)}}

Видео NCSSM о реакции одиночного смещения

Образование кристаллов олова при вытеснении цинком олова, видно под микроскопом.

В ряду реакционной способности первыми перечислены металлы с наибольшей склонностью отдавать свои электроны в реакцию, за ними следуют менее реакционноспособные. Таким образом, металл, стоящий выше в списке, может вытеснить все, что находится ниже него. Вот сокращенная версия того же: ^[1]

{\ce {K}}>{\ce {Ca}}>{\ce {Na}}>{\ce {Mg}}>{\ce {Al}}>{\color {gray}{\ce {C}}}>{\ce {Zn}}>{\ce {Fe}}>{\color {gray}{\ce {NH4^+}}}>{\color {gray}{\ce {H+}}}>{\ce {Cu}}>{\ce {Ag}}>{\ce {Au}}

(Водород, углерод и аммоний, отмеченные серым цветом, не являются металлами.)

Точно так же галогены с наибольшей склонностью к приобретению электронов являются наиболее реакционноспособными. Ряд активности галогенов: ^[1]^[2]^[3]

{\ce {F2>Cl2>Br2>I2}}

Ввиду свободного государственного характера ${\ce {A}}$ и ${\ce {B}}$ Реакции одиночного замещения также являются окислительно-восстановительными реакциями, включающими перенос электронов от одного реагента к другому. ^[4] Когда ${\ce {A}}$ и ${\ce {B}}$ являются металлами, ${\ce {A}}$ всегда окисляется и ${\ce {B}}$ всегда снижается. Поскольку галогены предпочитают присоединять электроны, ${\ce {A}}$ сокращается (от ${\ce {0}}$ к ${\ce {-1}}$ ) и ${\ce {B}}$ окисляется (от ${\ce {-1}}$ к ${\ce {0}}$ ).

Замена катионов

Здесь один катион сменяет другой:

{\ce {A + BC -> AC + B}}

(Элемент A заменил B в соединении BC и стал новым соединением AC и свободным элементом B.)

Некоторые примеры:

{\ce {Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu}}

(медный купорос) ____ (зеленый купорос)

{\ce {Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}}

(медный купорос) ___ (белый купорос)

{\ce {Zn + FeSO4 -> ZnSO4 + Fe}}

(Купорос) (Белый купорос)

Эти реакции являются экзотермическими, и повышение температуры обычно соответствует реакционной способности различных металлов. ^[5]

Если реагент в элементарной форме не является более активным металлом , то реакции не произойдет. Некоторые примеры этого могут быть обратными.

{\ce {Fe + ZnSO4 ->}}

Нет реакции

Замена анионов

Здесь один анион заменяет другой:

{\ce {A + CB -> CA + B}}

(Элемент A заменил B в соединении CB, образовав новое соединение CA и свободный элемент B.)

Некоторые примеры:

${\ce {Cl2 + 2NaBr -> 2NaCl + Br2}}$

${\ce {Br2 + 2KI -> 2KBr + I2(v)}}$

${\ce {Cl2 + H2S -> 2HCl + S(v)}}$

Опять же, менее реакционноспособный галоген не может заменить более реакционноспособный галоген:

{\ce {I2 + 2KBr ->}}

никакой реакции

Общие реакции

Металлокислотная реакция

Металлы реагируют с кислотами с образованием солей и газообразного водорода.

{\ce {Zn(s) + 2HCl(aq) -> ZnCl2(aq) + H2 ^}}

^[2]^[3]

Однако менее активные металлы не могут вытеснять водород из кислот. ^[3] (Однако они могут реагировать с окисляющими кислотами.)

{\ce {Cu + HCl ->}}

Никакой реакции

Реакция между металлом и водой

Металлы реагируют с водой с образованием оксидов металлов и газообразного водорода. Оксиды металлов далее растворяются в воде с образованием щелочей.

{\ce {Fe(s) + H2O (g) -> FeO(s) + H2 ^}}

{\ce {Ca(s) + 2H2O (l) -> Ca(OH)2(aq) + H2 ^}}

Реакция с щелочными металлами может быть чрезвычайно бурной, поскольку газообразный водород загорается. ^[2]

Металлы, такие как золото и серебро, находящиеся в ряду реакционной способности ниже водорода, не реагируют с водой.

Добыча металлов

Кокс или более химически активные металлы используются для восстановления металлов углеродом из их оксидов металлов. ^[6] например, в карботермической реакции оксида цинка (цинцита) с образованием металлического цинка :

{\ce {ZnO + C -> Zn + CO}}

и использование алюминия для производства марганца из диоксида марганца :

{\ce {3MnO2 + 4Al -> 3Mn + 2Al2O3}}

Подобные реакции также используются при извлечении бора, кремния, титана и вольфрама.

{\ce {3SiO2 + 4Al -> 3Si + 2Al2O3}}

{\ce {B2O3 + 3Mg -> 2B + 3MgO}}

{\ce {TiCl4 + 2Mg -> Ti + 2MgCl2}}

{\ce {WF6 + 3 H2 -> W + 6 HF}}

Термитная реакция

Использование высокореактивных металлов в качестве восстановителей приводит к экзотермическим реакциям, в результате которых полученный металл плавится. Используется для сварки железнодорожных путей. ^[6]

{\ce {Fe2O3(s) + 2 Al(s) -> 2 Fe(l) + Al2O3(s)}}

а (гематит)

{\ce {3CuO + 2Al -> 3Cu + Al2O3}}

Серебряное потускнение

Серебро тускнеет из-за присутствия сероводорода , что приводит к образованию сульфида серебра . ^[7]^[2]

{\ce {4Ag + 2H2S + O2 -> 2Ag2S + 2H2O}}

{\ce {3Ag2S + 2Al -> 6Ag + Al2S3}}

Экстракция галогенов

Хлор производится промышленным способом по процессу Дикона . Реакция протекает при температуре от 400 до 450 °C в присутствии различных катализаторов, таких как ${\ce {CuCl2}}$ .