Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 5

Урок 5: Видове химични реакции

Реакции на единично заместване

Определение за реакции на единично заместване (или единично отместване). Предвиждане и определяне на продуктите според редовете за относителна активност.

Какво е реакция на единично заместване?

Реакция на единично заместване, понякога наричана реакция на единично изместване, е реакция, в която един елемент се замества с друг елемент в дадено съединение. Изходните материали винаги са чисти елементи като чист метал цинк или водороден газ, плюс разтворено във вода съединение. Когато настъпи реакция на заместване, като продукт се образува ново разтворено във вода съединение и различен чист елемент. Общият модел на реакция на единично заместване е показан по-долу:

$A B (a q) + C \to A + C B (a q)$ ‍
$↓ ↓$ ‍
$Чисти елементи!$ ‍

Виждаме, че

A

се замества от

C

в съединението

A B

, за да образува новото съединение

C B

и елемента

A

. Може би забелязваш също така, че в началото

A

е йон в разтвора, но като продукт вече е в елементарно състояние. Реагентът

C

прави обратното: започва като елемент от страната на реагента, но накрая е йон във воден разтвор като част от съединението

C B (a q)

[Какво ни казва това?]

Да обясним това определение с примерна реакция.

$Ag {NO}_{3} (в о д е н р а з т в о р) + Cu (т в .) \to ?$ ‍
$↓$ ‍
$Чист, безцветен$ ‍
$разтвор$ ‍

Вероятно забелязваш, че продуктите от горната реакция още не са определени. Всъщност е възможно реакцията изобщо да не протече! В следващата секция ще разберем можем ли да предвидим дали реакцията ще протече и какви продукти ще се образуват. Междувременно можем да използваме умението си да наблюдаваме и да започнем да разсъждаваме какво се случва.

Как изглежда тази реакция в реалния живот?

Започваме с чист, безцветен разтвор на сребърен нитрат и поставяме в него блестяща медна тел. Разтворът става яркосин, а медната тел започва да става сива и размита. Яко!

Да се опитаме да обясним този феномен с помощта на химията.

Определяне на продуктите на реакции на единично заместване

Ако се опитваме да разберем дали ще протече реакция на единично заместване, трябва да отговорим на два основни въпроса.

1. Кои са двата елемента, които могат да се разменят при въпросната реакция?

Като цяло, елементите, които образуват аниони, могат да заместват аниона в дадено съединение, а елементите, които образуват катиони, могат да заместят катиона. Може да използваш следните насоки за определяне на вида йони, които даден елемент може да образува .

Металите обикновено образуват катиони. Това включва елементите от група 1 и 2, някои елементи от групите 13 и 14 и преходните метали.
Често срещани неметали в реакциите на единично заместване са елементите от група 17, които обикновено образуват аниони със заряд 1–.
Водородът обикновено образува катион $H^{+}$ ‍ в реакциите на единично заместване.
[Обърках се!]

В нашата реакция с метал мед и воден разтвор на сребърен нитрат медта вероятно ще образува медни катиони, защото е преходен метал. Медните катиони могат да заместят сребърните катиони в съединението

Ag {NO}_{3} (a q)

и да образуват ново съединение.

2. Кое е новото съединение, което ще се образува като продукт?

След като знаем кой елемент може да бъде заместен в нашето йонно съединение, можем да предвидим продуктите, които могат да се образуват. В този пример сребърните атоми в

Ag {NO}_{3}

могат да се заменят от медни и да се образува

Cu ({NO}_{3})_{2}

. В този процес като продукт ще се образува също и сребро,

Ag (т в .)

. Можем да запишем пълната – и балансирана! – реакция по следния начин:

$2 Ag {NO}_{3} + Cu (т в .) \to Cu ({NO}_{3})_{2} + 2 Ag (т в .)$ ‍

Дали това съвпада с наблюденията ни? Оказва се, че водните разтвори на

Cu ({NO}_{3})_{2}

са синьо-зелени, което обяснява промяната в цвета. Сивото вещество върху медта може да е от утаяването на сребро по повърхността на жицата.

Можеш ли да се сетиш за други измервания, които да направим, за да проверим тези заключения?

Как да предвидим ще протече ли реакция на единично заместване

След като знаем кои елементи могат да се разменят в реакцията на единично заместване, можем да предвидим дали реакцията ще протече според знанията ни за реда на относителна активност на елементите

C

A

в общия модел по-горе, или на медта и среброто в нашата примерна реакция. Ако елементът

C

е по-активен от елемента

A

, то

C

ще замести

A

в дадено съединение. Ако елементът

C

е по-малко активен от

A

, тогава няма да протече реакция.

Редът на относителна активност, наричан още ред на редукционна активност, подрежда елементите по реда на тяхната активност в някои видове химични реакции, включително в реакциите на единично заместване. Елементите, които са по-активни, изместват по-слабо активните елементи, които се намират след тях в списъка, докато обратното не е възможно. Има отделни редове за елементите, които образуват катиони, и за елементите, които образуват аниони.

За елементи, които са склонни да получават електрони и да образуват аниони, редът на относителна активност от най-реактивен до най-малко реактивен е следният:

Най-реактивен F_{2} > {Cl}_{2} > {Br}_{2} > I_{2} Най-малко реактивен

За тези елементи можеш да видиш и как са подредени в периодичната система – група 17, за да запомниш реда на относителна активност. Колкото по-високо се намира елементът в колоната, толкова по-активен ще е той. Според тези редове на относителна активност можем да предвидим, че

{Br}_{2}

ще замени

I_{2}

в реакция на единично заместване, но

{Br}_{2}

няма да реагира със съединение, което съдържа флуоридни йони.

За елементите, които образуват катиони, редът на относителна активност е по-дълъг и прогнозите не са толкова ясни. По-долу е показан пример за ред на активност на катиони.

Активността е доста сложна! В крайна сметка има много различни видове реакции, така че каква активност подреждаме тук? Някои свойства, които са взети предвид в реда на относителна активност, включват реактивност с вода и киселини, както и колко лесно даден елемент губи електрони и образува катиони. В резултат от различните начини, по които може да се дефинира активността, можеш да видиш елементите подредени по различен начин според учителя или учебника. За тази статия ще използваме активността по-горе като препратка за решаване на примерите.

Процесът на използване на реда на относителна активност е еднакъв за катиони и за аниони:

По-активните елементи заместват по-малко активните елементи в съединението.

Да помислим отново за нашия експеримент, в който комбинираме

{AgNO}_{3}

и медна тел. В реда на относителна активност на катиона виждаме, че медта е по-високо от среброто, затова очакваме медта да бъде по-активна от среброто в реакция на единично заместване. Следователно можем да предвидим, че

{Ag}^{+}

ще бъде заместено от

{Cu}^{2 +}

в дадено съединение, което отговаря на нашите резултати. Ура!

Пример: Предвиждане на продуктите на реакция на единично заместване

Нека разгледаме следната реакция:

{AlPO}_{4} + Mg (т в .) \to

Първият въпрос, който можем да си зададем, е кой елемент може да замести

Mg

в съединението

{AlPO}_{4}

Al

е метал, който обикновено образува катиони със заряд 3+. Можем да потвърдим това, защото

{AlPO}_{4}

е неутрален и фосфатът има заряд 3–, така че за алуминиевия катион остава заряд 3+. Тъй като

Mg

също е метал, който образува катиони, можем да очакваме, че

Mg

ще замести

Al

в нашето съединение. Ако проверим реда на относителна активност на катионите, ще видим, че магнезият е по-активен от алуминия, затова предвиждаме, че ще протече реакция на единично заместване.

Какви продукти очакваме от тази реакция на единично заместване? Очакваме да се образува елемент

Al (т в .)

и новото йонно съединение

{Mg}_{3} {(PO}_{4})_{2}

[Как получихме формулата?]

Това дава следната реакция:

${AlPO}_{4} + Mg (т в .) \to Al (т в) + {Mg}_{3} ({PO}_{4})_{2} Предупреждение: Не е балансирано!$ ‍

Все още не сме готови, тъй като реакцията не е балансирана. Можем да поправим това, като умножим

{AlPO}_{4}

от страната на реагента по 2,

Mg (т в .)

по 3, а

Al (т в .)

от страната на продукта по 2. Това ни дава балансираното уравнение:

[Съвет за балансиране на уравнения]

$2 {AlPO}_{4} + 3 Mg (т в .) \to 2 Al (т в .) + {Mg}_{3} {(PO}_{4})_{2}$ ‍

Резюме

Общата форма на реакциите на единично заместване е показана по-долу

A B + C \to A + C B

където един елемент се замества с друг елемент в дадено съединение, при което се образува нов елемент и ново съединение. Други неща, които трябва да запомниш за реакциите на единично заместване, са:

Елементите, за които е характерно да образуват катиони – обикновено метали или водороден газ – ще заместят катиона в дадено съединение, а елементите, за които е вероятно да образуват аниони – обикновено халогени от 17 група – ще заместят анионите в съединението.
Колкото по-високо стои даден елемент в реда на относителна активност, толкова по-активен ще бъде в реакция с единично заместване. Предполагаме, че реакцията с единично заместване ще протече, когато по-малко реактивен елемент бъде заместен от по-реактивен елемент в съединението.

[Източници и препратки]

Опитай!

Задача 1

Какви ще бъдат продуктите от следната реакция на единично заместване?

NaBr + {Cl}_{2} \to

[Подсказка 1]

[Подсказка 2]

[Подсказка 3]

Задача 2

Ако искаме да утаим метала мед от воден разтвор на ${CuSO}_{4}$ ‍, кой от дадените реагенти трябва да добавим в разтвора?

[Подсказка 1]

[Подсказка 2]

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.