Hlavní obsah
Obecná chemie
Kurz: Obecná chemie > Kapitola 6
Lekce 7: Třídění chemických reakcíVytěsňovací 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:
start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, right arrow, start color #df0030, start text, A, end text, end color #df0030, plus, start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis
space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, \downarrow, space, space, space, space, space, space, space, space, \downarrow, space, space, space, space, space, space, space, space, space
start color #11accd, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start text, S, a, m, o, s, t, a, t, n, e, with, \', on top, space, c, h, e, m, i, c, k, e, with, \', on top, space, p, r, v, k, y, !, end text, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, end color #11accd
Vidíme, že prvek start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, který byl součástí sloučeniny start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text, je vytěsněn prvkem start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 ve a za vzniku nové sloučeniny start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text a čistý prvek start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39. Z pozornost stojí, že start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 je na začátku přítomen jako ion v roztoku, ale z reakce vystupuje jako neutrální prvek. U prvku start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 je to naopak: vstupuje do reakce jako samostatný neutrální prvek a vystupuje z ní jako ion ve vodném roztoku, který je součástí iontové sloučeniny start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis.
Této definici lépe porozumíme, když si uvedeme příklad:
start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #1fab54, start text, C, u, end text, end color #1fab54, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, space, space, start text, question mark, end text
space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, \downarrow
start color #ca337c, start text, c, with, \v, on top, i, r, y, with, \', on top, comma, space, b, e, z, b, a, r, v, y, with, \', on top, end text, end color #ca337c
space, space, space, space, space, start color #ca337c, start text, r, o, z, t, o, k, end text, end color #ca337c
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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript .
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 start text, A, g, end text, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, 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 start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis mohou být nahrazeny mědí, a utvořit tak start color #1fab54, start text, C, u, end text, end color #1fab54, left parenthesis, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Současně by jako produkt vzniklo i elementární stříbro, start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, left parenthesis, s, right parenthesis. Celou — a vyčíslenou!— reakci můžeme zapsat takto:
Odpovídá to našemu pozorování? Vodné roztoky start text, C, u, end text, left parenthesis, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript 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 — start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 a start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 v obecném vzorci výše, nebo měď a stříbro v reakci z našeho příkladu. Pokud je prvek start text, C, end text reaktivnější než prvek start text, A, end text, pak start text, C, end text nahradí start text, A, end text ve sloučenině. Pokud je prvek start text, C, end text méně reaktivní než prvek start text, A, end text, 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:
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 start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript nahradí start text, I, end text, start subscript, 2, end subscript ve vytěsňovací reakci, start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript 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 start text, A, g, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis 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 start text, A, g, end text, start superscript, plus, end superscript bude ve sloučenině nahrazeno start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, což odpovídá našim výsledkům. Hurá!
Příklad: Předvídání produktů vytěsňovacích reakcí
Vezměme si následující reakci:
První otázka, kterou si můžeme položit, je, jaký prvek by start text, M, g, end text mohl ve sloučenině start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscriptnahradit. start text, A, l, end text je kov, který obvykle tvoří kationty s nábojem 3+. To můžeme ověřit, protože start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript je neutrální a fosforečnanový anion má náboj 3-, takže kation hliníku musí mít náboj 3+, bude to tedy hlinitý kation. Protože start text, M, g, end text je také kov, který tvoří kationty, můžeme očekávat, že start text, M, g, end text nahradí kov start text, A, l, end text 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 start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis a novou iontovou sloučeninu start text, M, g, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, left parenthesis, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript.
Získáme tak následující reakci:
Ještě ale nekončíme, protože naše reakce zatím není vyčíslená. To napravíme tak, že start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript vynásobíme dvěma, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis třemi a start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis na straně produktů dvěma. Získáme tak konečnou vyčíslenou rovnici:
Shrnutí
Vytěsňovací reakce mívají následující podobu:
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.
Zkus si to!
Příklad 1
Jaké jsou předpokládané produkty pro následující vytěsňovací reakci?
Příklad 2
Pokud chceme vysrážet měď z vodného roztoku start text, C, u, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, kterou látku bychom měli do roztoku přidat?
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.