Fő tartalom

Tantárgy/kurzus: Kémia > 2. témakör

5. lecke: A kémiai reakciók típusai

Helyettesítési (szubsztitúciós) reakciók

A helyettesítési (vagy szubsztitúciós) reakciók meghatározása. A képződő termékek reaktivitási sorrend alapján történő jóslása.

Mi a helyettesítési reakció?

Az olyan reakciót, ahol egy elem egy másik vegyület egy elemével helyet cserél, helyettesítésnek vagy szubsztitúciónak nevezzük. A kiindulási anyag tehát mindig egy elem, mint például a cink vagy a hidrogéngáz, és egy vízben oldódó vegyület. A reakció során egy új elem és egy új vízben oldódó vegyület keletkezik. A helyettesítési reakciók általános formája:

$A B (a q) + C \to A + C B (a q)$ ‍
$↓ ↓$ ‍
$Tiszta elemek!$ ‍

Látható, hogy az

A B

vegyület

A

-ja

C

-re cserélődik, így egy új

C B

vegyület és

A

elem keletkezik. Azt is megfigyelhetjük, hogy

A

kezdetben vizes közegben levő ion, majd elemi formájú termék lesz. A

C

reaktánssal pont az ellenkezője történik: elemi formából a

C B (a q)

vegyület vizes közegben megtalálható ionjává alakul.

Ha egy reagens ionos formából elemi formává alakul, minden bizonnyal redoxi folyamat következett be. A név azt tükrözi, hogy a reagens és termék oxidációs állapota különböző. Az ionok oxidációs állapota megegyezik a töltésükkel, míg az elemi formájú anyagoké nulla. Ezért ha egy ion elemi állapotba kerül egy reakció során, vagy fordítva, akkor biztosan változik az oxidációs állapota.

Mivel

A

és

C

oxidációs állapota változik a helyettesítési reakció során, tudjuk, hogy ez redoxi folyamat.

Nézzünk egy konkrét példát:

$Ag {NO}_{3} (a q) + Cu (s z) \to ?$ ‍
$↓$ ‍
$Tiszta, színtelen$ ‍
$oldat$ ‍

Talán észrevetted, hogy a fenti reakcióban a termékek még nincsenek feltüntetve. Sőt, az is lehet, hogy ez a reakció egyáltalán nem játszódik le! A következő részben megtanuljuk megjósolni, hogy végbemegy-e ez a reakció, és hogy milyen termékek képződhetnek. Addig is gondolkodjunk el azon, vajon mi történhet?

Hogy néz ki valójában ez a reakció?

Az ezüst(I)-nitrát tiszta, színtelen oldatából indulunk ki, amibe azután beledobunk néhány fényes rézdrótot. Az oldat tengerkékké változik, és a dróton szürke pelyhek jelennek meg. Azta!

Próbáljuk meg ezt a jelenséget kémiai szempontból értelmezni!

A helyettesítési reakciók termékeinek meghatározása

Ahhoz, hogy megállapítsuk, egy helyettesítési reakció végbemegy-e, két kérdésre kell válaszolnunk:

1. Melyik az a két elem, amely helyet cserélhet a feltételezett reakció során?

Általánosságban igaz, hogy azok az elemek, melyek hajlamosak aniont képezni, cserélődhetnek anionnal, míg a kationképzők kationnal. Az alábbi szabályok segítenek abban, hogy eldöntsd, egy adott elem milyen ionokat képezhet.

A fémek általában kationokat képeznek. Ide tartoznak az 1. és 2. csoport, a 13. és 14. csoport egyes elemei és az átmenetifémek.
A 17. csoport nemfémes elemei gyakran vesznek részt helyettesítési reakciókban, amikor is 1- töltésű anionokat képeznek.
A hidrogén általában $H^{+}$ ‍-ionná alakul a helyettesítési reakciók során.

A mi esetünkben az elemi réz és vízben oldott ezüst(I)nitrát reakciója során valószínűleg a réz képez majd kationokat, hiszen átmeneti fém. A réz-kationok kerülhetnek az ezüst(I)ionok helyére az

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

vegyületben.

2. Milyen új vegyület keletkezik?

Ha már rájöttünk, hogy melyik elem kerül ionos formába, azt is kitalálhatjuk, hogy milyen termékek keletkeznek. Ebben a példában az

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

-ban levő ezüstionok helyére rézionok kerülnek, így

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

keletkezik. Egyidejűleg elemi ezüst,

Ag (s z)

is képződik. Most már fel tudjuk írni a teljes, rendezett egyenletet:

$2 Ag {NO}_{3} (a q) + Cu (s z) \to Cu ({NO}_{3})_{2} (a q) + 2 Ag (s z)$ ‍

Vajon összhangban van-e ez a megfigyeléseinkkel? A

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

oldata kékeszöld, ami magyarázza az oldat színváltozását. A rézdrót felszínén gyarapodó szürke, pelyhes lerakódást pedig az oldatból leváló fémezüst okozza.

Tudsz-e olyan további kísérleteket, melyekkel ellenőrizhetnék a következtetésünket?

Mikor játszódik le helyettesítési reakció?

Ha már tudjuk, hogy melyik két elem cserélődhet ki, akkor a két elem egymáshoz viszonyított reaktivitásából következtethetünk arra, hogy végbemegy-e a reakció. A fenti általános séma esetén, ha

C

és

A

, avagy a réz és az ezüst közül

C

reaktívabb, mint

A

, akkor

C

A

helyére kerül a vegyületben. Ha nem, akkor nem megy végbe a reakció.

A reaktivitási sorrend vagy aktivitási sorrend azt mutatja meg, hogy egy elem mennyire reaktív egy adott reakciótípusban, mint például a helyettesítési reakciókban. A reaktívabb elem helyettesíteni fogja a kevésbé reaktívat, fordítva viszont ez nem így van. A kationokra és az anionokra külön rangsorok léteznek.

Azokra az elemekre, amelyekre az jellemző, hogy elektron felvételével aniont képeznek, az alábbi sorrend írható fel:

Leginkább reaktív F_{2} > {Cl}_{2} > {Br}_{2} > I_{2} Legkevésbé reaktív

Könnyebb megjegyezni ezt a sorrendet, ha megnézzük ezen elemek periódusos rendszerbeli elhelyezkedését: a csoportban felfelé haladva egyre reaktívabb elemekhez jutunk. Például a

{Br}_{2}

helyettesíti a

I_{2}

-ot, de nem lép reakcióba egy fluoridiont tartalmazó vegyülettel.

A kationképzők esetében a sorrend jóval hosszabb és nem olyan egyértelmű. Alább láthatsz egy példát egy ilyen reaktivitási sorrendre.

A reaktivitás rendkívül összetett fogalom. Mindenekelőtt számos reakciótípus létezik. Tulajdonképpen milyen reaktivitási sorrendről beszélünk itt? Van olyan sorrend, amely a vízzel és savakkal szembeni reaktivitást veszi figyelembe, vagy hogy az elem milyen mértékben hajlamos elektron leadásra, kation képzésére. Ennek következtében sokféle sorrend állítható fel. Az, hogy melyikkel találkozol, függ attól, hogy kitől vagy milyen könyvből tanulsz. Ebben a tananyagban a feladatmegoldások során a fenti sorrendet alkalmazzuk.

A reaktivitási sorrendet a kationok és anionok esetén ugyanúgy alkalmazzuk:

A reaktívabb elem helyettesíti a kevésbé reaktívat a vegyületben.

Térjünk vissza a kísérletünkre, az

{AgNO}_{3} (a q)

és rézdrót reakciójára! Látjuk, hogy a reaktivitási sorrendben a réz áll előkelőbb helyen, tehát azt várjuk, hogy a réz reaktívabb lesz a helyettesítési reakciókban, mint az ezüst, tehát az

{Ag}^{+}

-iont a vegyületeiben helyettesíti a

{Cu}^{2 +}

-ion, ami megegyezik az eredményünkkel. Hurrá!

Kidolgozott példa: A helyettesítési reakció termékeinek meghatározása

Nézzük meg az alábbi reakciót:

{AlPO}_{4} (a q) + Mg (s z) \to

Először is döntsük el hogy a

Mg

{AlPO}_{4}

vegyület melyik elemét fogja helyettesíteni. Az

Al

jellemzően 3+ töltésű ionokat képez. Ez onnan is kikövetkeztethető, hogy az

{AlPO}_{4}

vegyület semleges, és mivel a foszfátion 3- töltésű, így az

Al

töltése csak 3+ lehet. Mivel a

Mg

szintén kationképző fém, így jogosan gondolhatjuk azt, hogy a

Mg

Al

-ot fogja helyettesíteni. Ezen túl, ha a reaktivitási sorrendre tekintünk, megállapíthatjuk, hogy a

Mg

reaktívabb, mint az

Al

, ezért várakozásunk szerint a helyettesítési reakció végbe fog menni.

Vajon milyen termékek keletkeznek a fenti helyettesítéses reakció során? Várakozásunk szerint elemi

Al (s z)

, és

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

ionvegyület képződik.

Tehát a teljes reakció:

${AlPO}_{4} (a q) + Mg (s z) \to Al (s z) + {Mg}_{3} ({PO}_{4})_{2} (a q) Figyelem, nincs rendezve!$ ‍

Még nem vagyunk teljesen készen, hiszen nem rendeztük az egyenletet. Ehhez a kiindulási anyagok oldalán az

{AlPO}_{4}

vegyületet meg kell szoroznunk kettővel, a

Mg (s z)

-ot hárommal, míg a termékek oldalán az

Al (s z)

-ot kettővel. Így a rendezett egyenlet:

$2 {AlPO}_{4} (a q) + 3 Mg (s z) \to 2 Al (s z) + {Mg}_{3} {(PO}_{4})_{2} (a q)$ ‍

Összefoglalás

A helyettesítéses reakciók általános formája:

A B (a q) + C \to A + C B (a q)

ahol egy vegyületben egy elemet egy másik elem helyettesít, aminek eredményeként egy új elem és egy új vegyület keletkezik. Amire még nem árt emlékezni a helyettesítéses reakcióknál:

Azok az elemek, melyek jellemzően kationt képeznek – mint a fémek vagy a hidrogéngáz – a vegyület kationját helyettesítik. Míg azok az elemek, amelyek aniont képeznek – az anionképzők, jellemzően a 17. csoport halogénjei – a vegyület anionjait helyettesítik.
A helyettesítési reakciók során az aktivitási sorrendben előrébb álló elemek reaktívabbak. Várakozásunk szerint helyettesítési reakció akkor játszódik le, ha a vegyület kevésbé reaktív eleme egy reaktívabb elemre cserélődik le.

Hivatkozások:

A tananyag forrása: "Types of Chemical Reactions: Single- and Double-Displacement Reactions" (Beginning Chemistry, CC-BY-NC-SA 3,0).

A módosított cikk a CC-BY-NC-SA 4.0 licenc által engedélyezett.

További hivatkozások

Brunning, Andy. "The Metal Reactivity Series." Compound Interest. http://www.compoundchem.com/2015/03/10/reactivity-series

McMurry, J. E., and R. C. Fay. "The Activity Series of the Elements." In General Chemistry: Atoms First, 253-255. 2nd ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, 2014.

Tudáspróba

1. Feladat

Milyen termékek keletkezhetnek az alábbi helyettesítéses reakcióban?

NaBr (a q) + {Cl}_{2} \to

2. feladat

Abban az esetben, ha a ${CuSO}_{4}$ ‍ vizes oldatából elemi rezet szeretnénk leválasztani, melyik reagenst használjuk az alábbiak közül?

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Jelentkezz be

Rendezés:

Még nincs hozzászólás.

Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.