§ 32. Реакции замещения

Определения и обозначения

Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в составе сложного вещества. Это определение помогает узнать тип реакции по её участникам и результату. В уравнении один из элементов словно переходит из одного соединения в другое.

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента; в реакции замещения оно выступает реагентом. Реагенты — вещества, которые вступают в реакцию, и простое вещество среди них «предлагает» свои атомы для замены. Примеры простых веществ — цинк Zn, железо Fe и водород H₂.

Сложное вещество — вещество, состоящее из атомов разных химических элементов; его состав изменяется при замещении. В нём один элемент может уступить место элементу из простого вещества. Например, в CuSO₄ атомы меди могут быть вытеснены более активным металлом.

Ряд активности металлов — расположение металлов по убыванию их способности вступать в реакции замещения. Он нужен, чтобы сравнивать металлы и оценивать, возможна ли реакция. Чем выше расположен металл, тем активнее он проявляет себя в таких взаимодействиях.

Как это устроено

Общая схема реакции замещения: простое вещество + сложное вещество → новое простое вещество + новое сложное вещество. Это происходит потому, что атомы простого вещества могут занять место атомов одного элемента в сложном веществе. Например, цинк вытесняет медь из сульфата меди: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. В результате цинк входит в состав новой соли, а медь выделяется как простое вещество.

Металл вытесняет другой металл из раствора его соли только тогда, когда он активнее. Более активный металл легче вступает в химическое взаимодействие и может заменить менее активный в составе соли. Если же добавленный металл менее активен, ему не удаётся занять это место, поэтому реакция замещения не идёт. Например, медь не вытеснит цинк из раствора соли цинка.

Ряд активности металлов нужен, чтобы заранее сравнить участников и предсказать результат. Найдите в ряду металл, который добавляют, и металл, входящий в состав соли: реакция возможна, если первый расположен выше второго. Если он расположен ниже, вытеснения не будет. Это правило помогает не только записать продукты, но и понять, стоит ли вообще составлять уравнение реакции.

При взаимодействии металла с кислотой металл может вытеснить из неё водород. Возможность такой реакции определяют по положению металла относительно водорода в ряду активности: металл выше водорода обычно реагирует с кислотой с образованием соли и водорода. Металл ниже водорода не вытесняет его из раствора кислоты. Учитывайте состав конкретных реагентов и записывайте водород как молекулу H₂.

Чтобы определить продукты, сначала установите, какой элемент простое вещество может заменить в сложном, а затем проверьте возможность реакции по ряду активности. После этого запишите новое простое вещество и новое сложное вещество, сохранив состав формул. Например, при реакции алюминия с соляной кислотой образуются хлорид алюминия AlCl₃ и водород H₂. В конце уравняйте число атомов каждого элемента с помощью коэффициентов перед формулами.

Условия и результаты реакций замещения

Сначала определите тип взаимодействия, затем проверьте условие по ряду активности. После этого по составу реагентов установите продукты и уравняйте запись. Если условие не выполняется, реакцию замещения не записывают.

Разбор задач

Цинк и сульфат меди

Определите тип реакции и расставьте коэффициенты: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Нужно выяснить, может ли цинк заменить медь в соли, и проверить, уравнена ли запись. Такой порядок позволяет не путать возможность реакции с подбором коэффициентов.

1. Реагируют простое вещество Zn и сложное вещество CuSO₄, значит, по схеме это реакция замещения.
2. Сравните металлы по ряду активности: цинк активнее меди, поэтому он вытесняет её из раствора соли.
3. Сравните число атомов каждого элемента слева и справа. Zn, Cu и группа SO₄ представлены по одному разу с обеих сторон, значит, коэффициенты равны 1.

Ответ: реакция замещения; Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.

Железо и сульфат цинка

Предскажите, будет ли идти реакция железа с раствором сульфата цинка. В записи такого взаимодействия железо должно было бы заменить цинк в соли. Поэтому сначала сравним активности металлов, а не будем автоматически записывать продукты.

1. Определите простое вещество: это железо Fe. В составе соли ZnSO₄ находится цинк Zn.
2. Сравните металлы в ряду активности: цинк активнее железа, поэтому железо не может вытеснить цинк из его соли.
3. Так как условие замещения не выполняется, продукты реакции не образуются и уравнение реакции записывать не нужно.

Ответ: реакция не идёт, потому что железо менее активно, чем цинк.

Алюминий и соляная кислота

Составьте уравнение реакции алюминия с соляной кислотой, расставьте коэффициенты и определите продукты. Алюминий расположен выше водорода в ряду активности и способен вытеснить его из кислоты. Сначала составим формулы продуктов, а затем уравняем число атомов.

1. При реакции металла с кислотой образуются соль и водород. Ионы алюминия образуют с хлором соль AlCl₃, а водород записывают как H₂.
2. Запишите схему: Al + HCl → AlCl₃ + H₂. В AlCl₃ три атома хлора, поэтому подбор коэффициентов должен учитывать и хлор, и водород.
3. Поставьте коэффициент 2 перед AlCl₃, затем 2 перед Al. Для шести атомов хлора поставьте 6 перед HCl; шесть атомов водорода составят 3 молекулы H₂.

Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Продукты — хлорид алюминия и водород.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл вытесняет любой другой из раствора соли. Так думают, если ориентируются только на то, что оба вещества являются металлами, но их активность различается. Проверьте положение обоих металлов в ряду: вытеснение возможно, только если добавленный металл активнее.

Иногда путают реагенты и продукты и записывают, будто сложное вещество вытесняет элемент из простого. Причина — невнимательное чтение общей схемы реакции. Проверьте, что реагируют простое и сложное вещества, а после реакции образуются новое простое и новое сложное вещества.

Водород могут записать как отдельные атомы H, хотя простое вещество водород состоит из двухатомных молекул H₂. Ошибка возникает, если спутать символ элемента с формулой вещества. При проверке посчитайте атомы водорода в исходных веществах и убедитесь, что справа записаны молекулы H₂.

При уравнивании нельзя менять индексы в формулах, например превращать AlCl₃ в AlCl₂ ради совпадения числа атомов. Индекс определяет состав и формулу вещества, а его изменение меняет само вещество. Проверяйте равенство атомов, меняя только коэффициенты перед формулами.

Связь с другими темами

Для изучения замещения нужно различать простые и сложные вещества, читать химические формулы и уметь составлять уравнения реакций. Эти навыки помогают определить, какие вещества вступают в реакцию и какие элементы в них содержатся. Ряд активности и правила замещения пригодятся при изучении взаимодействия металлов с кислотами и солями. Они также позволяют прогнозировать, произойдёт ли химическая реакция.

Что запомнить

• В реакции замещения простое вещество взаимодействует со сложным.
• В составе сложного вещества один элемент заменяется другим.
• Металл вытесняет из раствора соли только менее активный металл.
• Взаимодействие металла с кислотой зависит от его положения относительно водорода в ряду активности.
• Продукты реакции записывают по составу новых веществ, а уравнение затем уравнивают коэффициентами.