Hlavní obsah

Kurz: AP®︎ Chemistry > Kapitola 3

Lekce 1: Types of chemical reactions

Vytěsňovací reakce (substituce)

Definice vytěsňovací reakce (neboli substituce). Předpovídání produktů na základě Beketovovy řady.

Co je to vytěsňovací reakce?

Vytěsňovací reakce, nazývaná také substituce, je reakce, při které je jeden prvek nahrazen jiným prvkem ve sloučenině. Jedním z reaktantů je vždy chemický prvek, např. zinek jako kov, nebo vodík jako plyn. Pokud dojde k vytěsňovací reakci, vzniká jako produkt nová sloučenina a čistý prvek - ten, který byl vytěsněný. Obecné schéma vytěsňovací reakce je uvedeno zde:

$A B (a q) + C \to A + C B (a q)$ ‍
$↓ ↓$ ‍
$Samostatné chemické prvky!$ ‍

Vidíme, že prvek

A

, který byl součástí sloučeniny

A B

, je vytěsněn prvkem

C

ve a za vzniku nové sloučeniny

C B

a čistý prvek

A

. Z pozornost stojí, že

A

je na začátku přítomen jako ion v roztoku, ale z reakce vystupuje jako neutrální prvek. U prvku

C

je to naopak: vstupuje do reakce jako samostatný neutrální prvek a vystupuje z ní jako ion ve vodném roztoku, který je součástí iontové sloučeniny

C B (a q)

Když se chemická látka stává z iontu čistým prvkem, znamená to, že došlo ke speciálnímu typu reakce - oxidaci-redukci neboli redoxní reakci. Tyto reakce se tak jmenují, protože oxidační číslo jednoatomového ionu se vždy rovná jeho náboji, zatímco oxidační čistého prvku je vždy nula. Cokoli, co se z iontu stává čistým prvkem - či naopak - tedy musí procházet změnou oxidačního čísla.

Protože se oxidační číslo

A

C

při vytěsňovací reakci vždy mění, víme, že vytěsňovací reakce musí být zároveň redoxní reakce.

Této definici lépe porozumíme, když si uvedeme příklad:

$Ag {NO}_{3} (a q) + Cu (s) \to ?$ ‍
$↓$ ‍
$čirý, bezbarvý$ ‍
$roztok$ ‍

Nejspíš sis všiml/a, že jsme produkty výše zmíněné reakce ještě blíže neurčili. Je dokonce možné, že k této reakci ani nedojde! V další části si řekneme, jak předvídat, zda k této reakci dojde a jaké by vznikly produkty. Předtím ale použijeme své brilantní pozorovací schopnosti a zamyslíme se, co se to vlastně děje.

Jak tato reakce vypadá v realitě?

Začneme čirým bezbarvým roztokem dusičnanu stříbrného, do kterého přidáme kousek lesklého měděného drátu. Roztok se zbarví do akvamarínové barvy a měděný drát zšedne a změní strukturu. Paráda!

Pojďme se pokusit tento jev vysvětlit za pomoci chemie.

Určování produktů vytěsňovacích reakcí

Když se snažíme zjistit, jestli dojde k vytěsňovací reakci, musíme si nejprve zodpovědět dvě hlavní otázky.

1. Jaké dva prvky si mají v navrhované reakci vyměnit místa?

Obecně platí, že prvky, které tvoří anionty, mohou nahradit anionty ve sloučenině, a prvky, které tvoří kationty, mohou nahradit kationty ve sloučenině. K určení toho, jaký druh iontů by mohl z daného prvku vzniknout, používáme tato vodítka.

Kovy budou obvykle tvořit kationty. To zahrnuje skupiny 1 a 2, některé prvky skupiny 13 a 14 a přechodné kovy.
Běžné nekovy ve vytěsňovacích reakcích jsou prvky skupiny 17, které obvykle tvoří anionty s nábojem 1-.
Vodík ve vytěsňovací reakci obvykle tvoří kation $H^{+}$ ‍ .

V naší reakci s kovem mědi a vodným roztokem dusičnanu stříbrného kovová měď pravděpodobně zreaguje a vytvoří kationty mědi, protože se jedná o přechodný kov. Kationty mědi mohou nahradit stříbrné kationty ve sloučenině

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

, a vytvořit tak novou sloučeninu.

2. Jaká sloučenina vznikne jako produkt?

Jakmile budeme vědět, jaký prvek by mohl být v naší iontové sloučenině nahrazen, můžeme zapsat produkty, které by mohly vzniknout. V tomto příkladu atomy stříbra v

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

mohou být nahrazeny mědí, a utvořit tak

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

. Současně by jako produkt vzniklo i elementární stříbro,

Ag (s)

. Celou — a vyčíslenou!— reakci můžeme zapsat takto:

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

Odpovídá to našemu pozorování? Vodné roztoky

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

jsou modrozelené, což vysvětluje změnu barvy roztoku při reakci. Šedá struktura vyrůstající na povrchu měděného drátu je kovové stříbro, které se sráží (precipituje) na tomto povrchu.

Dokážeš vymyslet další způsob, jak ověřit naše závěry?

Předvídání toho, zda dojde k vytěsňovací reakci

Jakmile víme, které prvky by se mohly v naší vytěsňovací reakci vyměnit, můžeme předpovědět, zda k reakci dojde, na základě znalosti relativních reaktivit obou prvků —

C

A

v obecném vzorci výše, nebo měď a stříbro v reakci z našeho příkladu. Pokud je prvek

C

reaktivnější než prvek

A

, pak

C

nahradí

A

ve sloučenině. Pokud je prvek

C

méně reaktivní než prvek

A

, pak k žádné reakci nedojde.

Z hlediska různých reakcí můžeme různé skupiny prvků řadit podle reaktivity v případě redoxních dějů řadíme redoxní páry (částici před a po redukci) podle standardního elektrodového potenciálu, pro kovy známého jako Beketovova řada kovů. Tyto řady nám pomáhají rozhodnout, jestli a jak bude reakce probíhat. V tomto článku se zaměříme na předpovídání vytěsňovacích reakcí. Pokud reakce probíhá samovolně, pak reaktivnější prvky nahradí ty méně reaktivní, naopak to však neplatí. Uvedli jsme si řadu kovů, která porovnává reaktivitu kationtů. Pro anionty si uvedeme jako příklad řadu reaktivity halogenů:

U halogenů, které mají tendenci získávat elektrony tak, aby tvořily anionty, je pořadí od nejvíce reaktivních po nejméně reaktivní následující:

Nejvíce reaktivní F_{2} > {Cl}_{2} > {Br}_{2} > I_{2} Nejméně reaktivní

Abychom si odvodili pořadí podle reaktivity u těchto prvků, se také můžeme podívat na jejich umístění v periodické tabulce — 17. skupina. Čím výše je prvek ve sloupci, tím je reaktivnější, reaktivita halogenů klesá směrem dolů v tabulce spolu s klesající elektronegativitou a rostoucím atomovým poloměrem. Na základě této řady reaktivity předvídáme, že

{Br}_{2}

nahradí

I_{2}

ve vytěsňovací reakci,

{Br}_{2}

by ale nereagoval se sloučeninou obsahující fluoridové ionty.

U prvků tvořících kationty máme zmíněnou Beketovovu řadu kovů, výběr z ní uvádíme zde:

Reaktivita je velmi složitá! Koneckonců existuje mnoho různých reakcí, takže jaký druh reaktivity právě řadíme? Některé vlastnosti, které jsou zohledněny v řadě kovů, zahrnují reaktivitu s vodou a kyselinami, a také jak snadno prvek ztratí elektrony a vytvoří kationty. Způsobů řazení reaktivity je více, v učebnicích můžeme vidět různé výběry porovnávaných prvků, což může být trochu matoucí. V tomto článku použijeme k řešení příkladů výše uvedenou řadu reaktivity.

Postup použití řady reaktivity je stejný jak pro kationty, tak pro anionty:

Reaktivnější prvky nahradí ve sloučenině ty méně reaktivní.

Pojďme se vrátit k našemu experimentu, kde došlo ke reakci

{AgNO}_{3} (a q)

a měděného drátu. V řadě kovů vidíme, že měď je výše než stříbro, takže bychom očekávali, že měď bude ve vytěsňovací reakci reaktivnější než stříbro. Proto bychom předpovídali, že

{Ag}^{+}

bude ve sloučenině nahrazeno

{Cu}^{2 +}

, což odpovídá našim výsledkům. Hurá!

Příklad: Předvídání produktů vytěsňovacích reakcí

Vezměme si následující reakci:

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

První otázka, kterou si můžeme položit, je, jaký prvek by

Mg

mohl ve sloučenině

{AlPO}_{4}

nahradit.

Al

je kov, který obvykle tvoří kationty s nábojem 3+. To můžeme ověřit, protože

{AlPO}_{4}

je neutrální a fosforečnanový anion má náboj 3-, takže kation hliníku musí mít náboj 3+, bude to tedy hlinitý kation. Protože

Mg

je také kov, který tvoří kationty, můžeme očekávat, že

Mg

nahradí kov

Al

v naší sloučenině. Když zkontrolujeme řadu reaktivity pro kationty, vidíme, že hořčík je reaktivnější než hliník, takže závěrem je, že k vytěsňovací reakci dojde.

Jaké z této vytěsňovací reakce očekáváme produkty? Očekáváme, že vytvoří elementární

Al (s)

a novou iontovou sloučeninu

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

Získáme tak následující reakci:

${AlPO}_{4} (a q) + Mg (s) \to Al (s) + {Mg}_{3} ({PO}_{4})_{2} (a q) Pozor! Není vyčíslená!$ ‍

Ještě ale nekončíme, protože naše reakce zatím není vyčíslená. To napravíme tak, že

{AlPO}_{4}

vynásobíme dvěma,

Mg (s)

třemi a

Al (s)

na straně produktů dvěma. Získáme tak konečnou vyčíslenou rovnici:

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

Shrnutí

Vytěsňovací reakce mívají následující podobu:

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

kdy je jeden prvek nahrazen jiným prvkem ve sloučenině, a tak vzniká nový prvek a nová sloučenina. Dále bychom si u vytěsňovacích reakcí měli pamatovat:

Prvky, které pravděpodobně vytvoří kationty — obvykle kovy nebo plynný vodík — nahradí kationty ve sloučenině, a prvky, které pravděpodobně vytvoří anionty – obvykle ve skupině 17 – nahradí anionty ve sloučenině.
Čím výše je prvek v řadě reaktivity, tím reaktivnější bude ve vytěsňovací reakci. Pokud má reakce samovolně proběhnout, pak k vytěsňovací reakci dojde, když lze méně reaktivní prvek nahradit více reaktivním prvkem ve sloučenině.

Zdroje:

Tento článek byl upraven z "Types of Chemical Reactions: Single- and Double-Displacement Reactions" Beginning Chemistry, CC-BY-NC-SA 3.0.

Upravený článek je licencován podle CC-BY-NC-SA 4.0 licence.

Další odkazy

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.

Zkus si to!

Příklad 1

Jaké jsou předpokládané produkty pro následující vytěsňovací reakci?

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

Příklad 2

Pokud chceme vysrážet měď z vodného roztoku ${CuSO}_{4}$ ‍, kterou látku bychom měli do roztoku přidat?

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení

Setřídit podle:

Zatím žádné příspěvky.

Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.