置换反应

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简介

被称为置换反应的化学反应发生在高反应性元素从分子中取代低反应性元素时。置换反应涉及金属和非金属。

如果某种化学物质容易且快速地参与化学反应，则称其具有反应性。不同的金属具有不同的反应活性。金属的反应活性可以按等级排列。例如反应序列。反应性较低的金属要么参与化学反应的速度非常慢，要么通常不参与。金属以及某些其他金属的复杂性都可以发生置换反应。在置换反应中，更活泼的元素将在其配合物中取代较弱的活泼元素。反应对较弱的活泼金属没有影响。它不再与任何其他元素发生化学结合。现在元素是纯净的。

置换反应定义

置换反应是指一个反应物的一部分被另一个反应物取代的反应。它也被称为取代反应。因为另一个反应物离子取代了先前存在的离子。

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什么是单置换反应？

单置换反应是指一种元素从其盐或配合物中置换另一种元素的反应。也称为单取代反应。也可以写出一般表示式 -

$$\mathrm{A\:+\:B\:-\:C\:\rightarrow\:A\:-\:C\:+\:B}$$

如果A比B更易反应，它将取代B。例如，钾取代氯化镁中的𝑀𝑔，因为它比镁更具反应活性。

什么是反应序列？

反应序列是一组按反应活性从高到低排列的金属。因此，“金属反应序列”一词指的是一组按反应活性升序排列的金属。它也被称为“活性序列”。金属的反应活性是由它们的电子结构或它们的外层轨道的未完成性引起的。由于它们倾向于失去电子，因此金属会产生带正电的离子。由于它们的电子位于远离带正电的原子核的位置，因此原子序数高的金属往往具有很高的反应活性。因此，它们很容易去除。

化学反应类型

合成反应

当 2 个不同的原子/分子结合形成新的化学物质或分子时，这被称为合成反应。

$$\mathrm{O_{2}\:+\:2H_{2}\:\rightarrow\:H_{2}O}$$

分解反应

这些反应的 2 个主要类别如下

热分解反应

它是由热能触发的分解反应

例如

$$\mathrm{CaCO_{3}\:\rightarrow\:CO_{2}\:+\:CaO}$$

碳酸钙在加热时分解成氧化钙和二氧化碳。生石灰是许多行业中的一种重要成分，它是通过此过程制成的。

电解分解反应

电解分解过程中，使用电能提供分解的活化能。例如水电解的电解分解反应，其化学方程式为−

例如

$$\mathrm{H_{2}O\:\rightarrow\:2H_{2}\:+\:O_{2}}$$

光分解

在光分解反应中，分析物吸收光子的能量并分解成其组成元素。以下化学方程式表示将分子氧分解成氧自由基的光分解过程。

例如。

$$\mathrm{O_{3}\:+\:hv\:\rightarrow\:O_{2}\:+\:O}$$

置换反应

当分子中的一个元素被另一个元素取代时，该过程称为置换反应。

单置换反应

当分子中的一个元素被另一个元素取代时，该过程称为单置换反应。

例如。

$$\mathrm{2K\:+\:2H_{2}O\:\rightarrow\:2KOH\:+\:H}$$

复分解反应

当两个离子化合物的成分交换时，会产生两个新的化合物。复分解反应也称为复分解、交换或复分解反应。

例如。

$$\mathrm{Na_{2}SO_{4}\:+\:BaCL_{2}\:\rightarrow\:BaSO_{4}\:+\:2NaCl}$$

燃烧反应

在燃烧反应中，分子与氧化剂发生反应，这是一种化学过程，会产生热量以及新的产物。

例如。

$$\mathrm{CH_{4}\:+\:O_{2}\:\rightarrow\:CO_{2}\:+\:H_{2}O}$$

置换反应的用途

• 铝 (𝐴𝑙) 和氧化铁结合形成用于焊接铁路接头的合金 $\mathrm{Fe_{2}O_{3}}$。

反应−

$$\mathrm{2AL\:+\:Fe_{2}O_{3}\:\rightarrow\:2Fe\:+\:AL_{2}O_{3}}$$

• Fe 可以通过与 𝐶 反应从其矿石中提取。

$$\mathrm{3C\:+\:Fe_{2}O_{3}\:\rightarrow\:4Fe\:+\:3CO_{2}}$$

• 金属的提取

可以通过置换过程获得其他金属，包括 𝐶𝑟。

$$\mathrm{3C\:+\:Cr_{2}O_{3}\:\rightarrow\:4Cr\:+\:3CO_{2}}$$

• 酸的中和

我们胃中形成的𝐻𝐶𝑙酸是导致消化不良的原因。抗酸剂的碱会诱导身体通过自身置换来做出反应。

$$\mathrm{Mg(OH)_{2}\:+\:2HCl\:\rightarrow\:MgCl_{2}\:+\:2H_{2}O}$$

单置换反应的例子

• $\mathrm{HCl}$ 和 $\mathrm{Zn}$ 之间的反应−

$$\mathrm{2HCl\:+\:Zn\:\longrightarrow\:ZnCl_{2}\:+\:H_{2}}$$

• $\mathrm{Cal_{2}}$ 和 $\mathrm{Cl}$ 之间的反应−

$$\mathrm{CaCl_{2}\:+\:Cl_{2}\:\longrightarrow\:CaCl_{2}\:+\:l_{2}}$$

复分解反应的例子

• $\mathrm{AgNO_{3}}$ 和 $\mathrm{NaCl}$ 之间的反应−

$$\mathrm{NaCl\:+\:AgNO_{3}\:\rightarrow\:AgCl\:+\:NaNO_{3}}$$

• $\mathrm{H_{2}SO_{4}}$ 和 $\mathrm{LiOH}$ 之间的反应−

$$\mathrm{H_{2}SO_{4}\:+\:2LiOH\:\Longleftrightarrow\:LiO_{2}OH\:+\:2H_{2}O}$$

• $\mathrm{[Pb(NO]_{3})_{2}}$ 和 $\mathrm{NaCl}$ 之间的反应−

$$\mathrm{[Pb(NO]_{3})_{2}\:+\:2NaCl\:\Longleftrightarrow\:2NaNO_{3}\:+\:PbCl}$$

• $\mathrm{[Al(SO]_{4})_{3}}$ 和 $\mathrm{NH_{4}OH}$ 之间的反应−

$$\mathrm{[Al(SO]_{4})_{3}\:+\:6NH_{4}OH\:\rightarrow\:2AL(OH)_{3}\:+\:3[(NH]_{4})_{2}SO_{4}}$$

置换反应的应用

许多不同的学科都使用了置换反应。以下是一些−

• 铝热焊接使用这些反应，其中铁被铝从其氧化物中置换出来。

• 钢的制造使用这些反应，其中铁被碳从其氧化物中置换出来。

• 大多数情况下，这些反应用于金属的提取。

• 这些反应用于治疗酸性消化不良。

• 这些反应用于火焰光度法。

结论

可以得出结论，当一个反应物被另一个反应物部分取代时，该反应称为置换反应。置换反应也称为取代反应或复分解反应。置换反应有两种不同的形式：复分解反应和单置换反应。在复分解反应中，反应物中的阳离子和阴离子交换配偶以产生产物：单置换反应发生在一个反应物部分取代另一个反应物时。

常见问题

1. 置换反应的一般规则是什么？

在置换反应中，化合物中的一个成分取代了另一种元素。更活泼的元素通常会取代其化合物中反应活性较低的元素。例如，铜的反应活性低于铁。当将一块铁放入硫酸铜溶液中时，会形成硫酸亚铁。

$$\mathrm{Fe\:+\:CuSO_{4}\:\rightarrow\:FeSO_{4}\:+\:Cu}$$

2. 为什么金属会相互取代？

当电化学系列中较高位置的金属的离子与靠近底部位置的金属的离子结合时，就会发生置换反应。

反应性较低的金属中的离子会获得从反应性较高的金属的原子中强迫出来的电子。

3. 什么导致放热置换反应？

当分子中的一个元素被另一个元素取代时，就会发生单置换反应。化学反应要么释放能量，要么吸收能量。如果在过程中释放能量，则它是放热的。键的形成是一个放热过程。

4. 所有置换过程都包括氧化还原吗？

是的，所有置换反应都是氧化还原反应。考虑钠和水之间的相互作用。在这个反应中，钠从水中去除氢，同时通过接收氧气而被氧化，并通过去除氧气将水还原成氢。

$$\mathrm{2Na\:+\:2H_{2}O\:\rightarrow\:2NaOH\:+\:H_{2}}$$

5. 氧化会导致复分解反应吗？

不。复分解反应中只发生置换。在氧化还原反应中，整个反应过程中被氧化的原子的数量会发生变化。