§ 32. Реакции замещения

Определения и обозначения

Реакция замещения — это реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, а сложное — из атомов разных элементов. Поэтому при замещении образуются новое простое и новое сложное вещества. Это определение помогает отличить замещение от других типов реакций по составу участников и продуктов.

Ряд активности металлов — это расположение металлов в порядке убывания их химической активности. Чем левее (выше в принятой записи) находится металл, тем легче он вступает в некоторые реакции и тем вероятнее, что он вытеснит менее активный металл из раствора его соли. Ряд нужен, чтобы заранее проверить возможность реакции, а не угадывать её по названиям веществ. Для сравнения достаточно найти в ряду оба металла и установить, какой из них расположен раньше.

Вытеснение водорода — это выделение водорода при взаимодействии металла с подходящей кислотой. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, способны вытеснять его из обычных разбавленных кислот, а металлы после водорода обычно этого не делают. Так можно определить, будет ли среди продуктов газообразный водород. Для некоторых кислот действуют особые правила, поэтому в школьных задачах учитывают указанную кислоту и условия реакции.

Как это устроено

Общая схема реакции замещения: простое вещество + сложное вещество → новое простое вещество + новое сложное вещество. Простое вещество поставляет атомы, которые занимают место атомов одного элемента в сложном веществе. Например, в реакции металла с солью металл может занять место другого металла, а вытесненный элемент выделится в свободном виде. Чтобы узнать, возможна ли такая перестановка, для металлов сверяют их активность.

Если пластинку железа поместить в раствор сульфата меди(II), железо вытеснит медь: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Железо активнее меди, поэтому его атомы переходят в раствор и образуют соль, а медь выделяется. Если бы свободный металл был менее активным, он не смог бы вытеснить металл из соли, и замещение не произошло бы. Следовательно, перед записью продуктов нужно сравнить металлы в ряду активности.

При реакции металла с кислотой атомы металла могут занять место водорода в кислоте, и водород выделяется как простое вещество H₂. Такая реакция возможна для металлов, стоящих до водорода в ряду активности; металлам после водорода не хватает активности, чтобы его вытеснить. Например, цинк реагирует с соляной кислотой, а серебро с ней обычно не реагирует. Это правило применяют к обычным разбавленным кислотам, так как отдельные кислоты могут вести себя иначе.

Чтобы предсказать продукты, сначала выясняют, что именно вытесняется: металл из соли или водород из кислоты. Затем сравнивают его положение в ряду активности с положением свободного металла: замещение возможно, если свободный металл активнее. После этого составляют формулу новой соли, учитывая заряды ионов и валентности, и записывают выделившееся простое вещество. Например, при реакции железа с сульфатом меди получаются сульфат железа(II) и медь.

Уравнивание начинают только после того, как формулы веществ записаны правильно. Слева и справа должно быть одинаковое число атомов каждого элемента, поэтому подбирают числа перед формулами — коэффициенты. Например, в реакции цинка с соляной кислотой справа два атома хлора в ZnCl₂, значит, перед HCl ставят коэффициент 2; тогда число атомов водорода тоже становится равным двум и записывается H₂. Индексы внутри формул не меняют: иначе получится другое вещество.

Условия и примеры реакций замещения

Пользуйся таблицей в два шага: сначала определи, какие вещества реагируют, затем проверь условие протекания. Если свободный металл не активнее металла в соли или стоит после водорода, продукты замещения записывать нельзя. Для реакции с водой отдельно учитывай температуру и активность металла.

Разбор задач

Задача 1. Определите тип реакции и расставьте коэффициенты: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Сначала проверим, меняются ли местами элементы и достаточно ли коэффициентов для равенства атомов. Цинк стоит в ряду активности до водорода, поэтому способен вытеснять его из соляной кислоты.

1. Сравниваем вещества: цинк — простое, соляная кислота — сложное. Цинк занимает место водорода, поэтому образуются соль ZnCl₂ и простое вещество H₂. Значит, это реакция замещения.
2. Считаем атомы: в ZnCl₂ два атома хлора, поэтому перед HCl нужен коэффициент 2. В двух молекулах HCl есть два атома водорода, которые дают одну молекулу H₂.
3. Проверяем остальные атомы: по одному атому цинка с каждой стороны, хлора и водорода тоже поровну. Коэффициенты уже расставлены наименьшими целыми числами.

Ответ: реакция замещения; Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.

Задача 2. Произойдёт ли реакция между железом и раствором сульфата меди(II)? Сравним железо и медь в ряду активности: железо расположено выше и активнее. Значит, оно вытеснит медь, а в растворе образуется соль железа(II).

1. Записываем исходные формулы: Fe и CuSO₄. Свободный металл железо стоит до меди в ряду активности, поэтому замещение возможно.
2. Железо занимает место меди в соли. Сульфат-ион SO₄ имеет заряд 2−, а ион железа(II) — заряд 2+, поэтому формула новой соли — FeSO₄.
3. Записываем продукты и проверяем атомы: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. По одному атому железа и меди, а также одна группа SO₄ находятся с обеих сторон.

Ответ: реакция возможна; Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

Задача 3. Проверьте пары Fe и MgCl₂, Cu и AgNO₃, Ag и HCl. В первых двух случаях нужно сравнить металлы свободного вещества и соли, а в третьем — серебро с водородом. Так ряд активности помогает не только определить, возможна ли реакция, но и решить, какие продукты записать.

1. Железо стоит после магния, поэтому не вытесняет его из MgCl₂. Для пары Fe и MgCl₂ реакция замещения не идёт.
2. Медь стоит выше серебра, поэтому вытесняет его из AgNO₃. Ион меди(II) образует нитрат Cu(NO₃)₂, и уравнение будет Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag.
3. Серебро расположено после водорода, поэтому не вытесняет его из соляной кислоты. Для пары Ag и HCl реакция замещения не идёт.

Ответ: реакция возможна только между Cu и AgNO₃: Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл вытеснит другой из раствора соли. Обычно так рассуждают, потому что видят в реагентах два металла и предполагают, что один просто заменит другой. Но замещение возможно, только если свободный металл активнее металла в составе соли. Проверь себя: найди оба металла в ряду и сравни их положения.

Ошибка — ожидать выделения водорода при реакции любой кислоты с любым металлом. Это кажется логичным, если запомнить только схему «металл плюс кислота», но металлы после водорода не вытесняют его из обычных разбавленных кислот. До записи H₂ проверь положение металла в ряду и учти вид кислоты. Если металл стоит после водорода, привычную реакцию замещения не записывай.

Ошибка — путать замещение с реакцией обмена. В обоих случаях вещества превращаются в новые, но при обмене взаимодействуют два сложных вещества, а в замещении обязательно участвует простое. Проверь формулы реагентов: если среди них есть простое вещество и сложное, схема может быть замещением. Затем сверь продукты с общей схемой «простое + сложное → простое + сложное».

Ошибка — менять индексы в формулах, чтобы уравнять число атомов. Так поступают, когда хотят быстро сделать числа слева и справа одинаковыми, но изменение индекса превращает вещество в другое. Например, нельзя менять формулу соли вместо подбора коэффициента перед ней. Пересчитай атомы и поставь нужное число перед формулой, оставив её индексы неизменными.

Связь с другими темами

Для работы с реакциями замещения нужно уметь различать простые и сложные вещества, составлять формулы и пользоваться валентностью: без этого нельзя правильно записать продукты. Также важно понимать, что химическое уравнение показывает равное число атомов до и после реакции, и уметь расставлять коэффициенты. Позже ряд активности поможет изучать химические свойства металлов и способы их получения. Сравнение способности веществ отдавать электроны станет основой для знакомства с окислительно-восстановительными реакциями.

Что запомнить

• В реакции замещения простое вещество взаимодействует со сложным.
• Атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе.
• Более активный металл может вытеснить менее активный металл из раствора его соли.
• Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, могут вытеснять водород из кислот.
• Возможность реакции замещения проверяют по ряду активности металлов.
• При уравнивании реакции изменяют коэффициенты, а не индексы в формулах.