30. Реакции замещения

Определения и обозначения

Реакция замещения — это реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы одного элемента в сложном веществе. Её общая схема: A + BC → AC + B, где A и B — простые вещества, а BC и AC — сложные. Например, металл может занять место водорода в кислоте. Схема помогает узнать тип реакции и предсказать, какие вещества могут образоваться.

Ряд активности металлов — расположение металлов по убыванию их способности вступать в реакции. Чем левее находится металл в ряду, тем он активнее по сравнению с металлами, расположенными правее. Ряд нужен, чтобы заранее проверить, сможет ли один металл вытеснить другой или водород. Без такого сравнения нельзя надёжно определить, пойдёт ли реакция.

Вытеснение водорода металлом — частный случай замещения, когда металл реагирует с кислотой и образует соль и водород. Это возможно, если металл расположен в ряду активности до водорода. Например, цинк вытесняет водород из соляной кислоты. Это правило позволяет отличить металлы, реагирующие с кислотой с выделением газа, от тех, для которых такой реакции нет.

Вытеснение менее активного металла — замещение металла в растворе его соли более активным металлом. Свободный металл переходит в состав новой соли, а менее активный выделяется как простое вещество. Например, железо может вытеснить медь из раствора её соли. Понятие помогает предсказывать взаимодействие металлов с растворами солей.

Как это устроено

В реакции замещения обязательно участвуют простое и сложное вещества. В сложном веществе атомы разных элементов связаны друг с другом, а простое содержит атомы одного элемента. При подходящих условиях атомы простого вещества могут занять место атомов одного элемента в составе сложного. Поэтому в общей схеме A + BC → AC + B один элемент как бы меняется местами с другим, а не происходит обмен между двумя сложными веществами.

Когда металл реагирует с кислотой, он может вытеснить из неё водород. Металл, стоящий в ряду активности до водорода, легче отдаёт электроны, чем водород, поэтому способен занять его место в составе кислоты. В результате образуются соль и молекулы водорода. Например, цинк с соляной кислотой даёт хлорид цинка и водород: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Если металл стоит после водорода, такое замещение обычно не происходит.

При взаимодействии металла с раствором соли сравнивают активность свободного металла и металла в составе соли. Более активный металл легче вступает во взаимодействие и вытесняет менее активный из его соединения. Так, железо вытесняет медь из раствора сульфата меди(II), образуя сульфат железа(II) и медь: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Если свободный металл менее активен, замещения не происходит.

Ряд активности служит подсказкой для прогноза: сравнение положения элементов позволяет проверить условие реакции до составления уравнения. Для кислоты ориентиром служит водород, а для раствора соли — металл, входящий в её состав. Так удаётся не записывать продукты реакции там, где замещение невозможно. Это правило относится к обычным условиям школьных задач; особенности конкретных веществ могут потребовать отдельного рассмотрения.

Чтобы записать уравнение, сначала устанавливают, возможна ли реакция, и определяют формулы продуктов. Формулы составляют с учётом состава веществ: например, при реакции цинка с соляной кислотой образуется ZnCl₂, а не ZnCl. Затем подсчитывают атомы слева и справа и подбирают коэффициенты. Это требуется потому, что при химической реакции атомы не исчезают и не возникают заново, а только перегруппировываются.

Виды реакций замещения и условия их протекания

Сначала определите, к какому виду относится пара веществ, а затем примените условие из второго столбца. Если оно выполнено, запишите продукты по схеме и составьте уравнение; если нет, замещения не ожидают. Примеры в последнем столбце показывают, как выглядят уже уравненные реакции.

Разбор задач

Задача 1. Определите, пойдёт ли реакция цинка с соляной кислотой; если да, составьте уравнение. Здесь реагируют металл и кислота, поэтому нужно сравнить цинк с водородом в ряду активности. Если цинк расположен до водорода, образуются соль и водород. Формулу соли составляем из цинка и хлора: ZnCl₂.

1. Цинк стоит в ряду активности до водорода, значит, способен вытеснить водород из кислоты.
2. Записываем продукты: хлорид цинка и водород. Получаем схему Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂.
3. Ставим коэффициент 2 перед HCl, чтобы уравнять хлор и водород: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.

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

Задача 2. Определите, возможна ли реакция железа с раствором сульфата меди(II); если да, составьте уравнение. Здесь свободный металл — железо, а металл в составе соли — медь. По ряду активности железо расположено выше меди, поэтому оно может вытеснить её из раствора. В соли железа сохраняется сульфат-ион, а медь выделяется как простое вещество.

1. Сравниваем металлы: железо активнее меди, значит, замещение возможно.
2. Железо соединяется с сульфат-ионом, образуя FeSO₄; второй продукт — Cu.
3. Записываем уравнение Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Число атомов каждого элемента уже одинаково с обеих сторон.

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

Задача 3. Для реакций Mg + HCl, Cu + HCl и Zn + CuSO₄ определите, какие возможны, и составьте уравнения возможных реакций. Здесь две пары относятся к взаимодействию металла с кислотой, а одна — к взаимодействию металла с раствором соли. Поэтому в первых двух случаях сравниваем металл с водородом, а в третьем — цинк с медью. Для каждой возможной реакции отдельно определяем продукты и проверяем баланс атомов.

1. Магний стоит до водорода, поэтому вытесняет его из кислоты. Уравнение: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
2. Медь стоит после водорода, поэтому не вытесняет его из соляной кислоты. Реакция Cu + HCl в обычных условиях не идёт.
3. Цинк активнее меди, поэтому вытесняет её из CuSO₄. Уравнение: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.

Ответ: возможны реакции магния с соляной кислотой и цинка с раствором сульфата меди; взаимодействие меди с соляной кислотой не идёт.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл вытесняет водород из любой кислоты. Так думают, если запомнили только общую схему реакции и не учитывают различную активность металлов. Перед записью уравнения сравните металл с водородом в ряду активности. Если металл стоит после водорода, обычное вытеснение не происходит.

Неверно полагать, что металл всегда вытесняет другой металл из раствора его соли. Замещение возможно лишь тогда, когда свободный металл активнее металла в составе соли. Проверяйте оба элемента по ряду активности, а не только наличие металла и соли среди исходных веществ. Например, менее активная медь не вытеснит железо из его соли.

Реакцию замещения иногда путают с реакцией обмена, потому что в обоих случаях меняются составы веществ. Но при замещении одним из исходных веществ обязательно является простое вещество, например металл. В реакции обмена взаимодействуют два сложных вещества. Чтобы проверить тип реакции, сначала определите, простые или сложные исходные вещества.

Ещё одна ошибка — записывать неверную формулу продукта или менять индексы при уравнивании. Индексы показывают состав вещества, поэтому изменение индекса означает уже другое вещество, а не исправление баланса. Сначала составьте верные формулы продуктов, затем уравнивайте реакцию коэффициентами перед формулами. В конце проверьте число атомов каждого элемента слева и справа.

Связь с другими темами

Для разбора реакций замещения нужно различать простые и сложные вещества, понимать, что обозначает химическая формула, и уметь читать уравнение реакции. Эти знания помогают увидеть, какое вещество в схеме может быть вытеснено и что получится в результате. Также необходимо уметь составлять формулы солей: именно от них зависит правильная запись продуктов.

Закон сохранения массы объясняет, почему число атомов каждого элемента до и после реакции должно совпадать. Поэтому после составления формул продуктов подбирают коэффициенты, не меняя индексы. Ряд активности пригодится дальше при изучении свойств металлов: с его помощью сравнивают их химическую активность и прогнозируют взаимодействия с кислотами и растворами солей.

Что запомнить

• В реакции замещения простое вещество взаимодействует со сложным.
• Атомы простого вещества замещают атомы одного элемента в сложном веществе.
• Металлы, стоящие до водорода в ряду активности, обычно вытесняют водород из кислот.
• Более активный металл может вытеснить менее активный из раствора его соли.
• Ряд активности позволяет определить возможность реакции замещения.
• При составлении уравнения сначала записывают формулы веществ, затем подбирают коэффициенты.