ძირითადი მასალა

კურსი: ქიმია > თემა 2

გაკვეთილი 5: ქიმიური რეაქციის ტიპები

ჩანაცვლების რეაქციები

ჩანაცვლების რეაქციის განსაზღვრება. რეაქციის შედეგად მიღებული პროდუქტების განსაზღვრა მეტალთა აქტივობის ელექტრო-ქიმიური მწკრივის გამოყენებით.

რა არის ერთჩანაცვლების/ჩანაცვლების რეაქცია?

ერთჩანაცვლების, იგივე ჩანაცვლების რეაქციის, დროს ნაერთში ერთ ელემენტს მეორე ჩაანაცვლებს. საწყისი მოლეკულებიდან ერთ-ერთი ყოველთვის სუფთა ელემენტია, მაგალითად, სუფთა თუთია ან წყალბადის აირი, მეორე კი - წყალში ხსნადი ნაერთი. ჩანაცვლების რეაქციის შედეგად ახალი წყალხსნარი და ახალი სუფთა ელემენტი მიიღება პროდუქტებად. ჩანაცვლების რეაქციის ზოგადი მოდელი ქვემოთაა ნაჩვენები.

$A B (ხ ს) + C \to A + C B (ხ ს)$ ‍
$↓ ↓$ ‍
$სუფთა ელემენტები!$ ‍

როგორც ვხედავთ, ნაერთ

A B

-ში

A

ჩაანაცვლა

C

-მ და მივიღეთ ახალი ნაერთი

C B

ელემენტურ

A

-სთან ერთად. შესაძლოა, ისიც შეამჩნიეთ, რომ

A

თავიდან იონი იყო ხსნარში, რეაქციის შემდეგ კი სუფთა ელემენტის სახით რჩება პროდუქტების მხარეს. რეაგენტი

C

-ს კი ზუსტად საპირისპირო ემართება: ჯერ რეაგენტების მხარეს, ელემენტურ ფორმაშია, რეაქციის შემდეგ კი წყალხსნარში,

C B (ხ ს)

ნაერთის შემადგენელ იონად იქცევა.

თუკი ქიმიური ნივთიერება იონიდან სუფთა ელემენტად გარდაიქმნება, ესე იგი სპეციფიკური ქიმიური რეაქცია წარიმართა, კერძოდ, ჟანგვა-აღდგენითი. ეს სახელწოდება იქიდან მომდინარეობს, რომ ხსნარში მონოატომური იონის ჟანგვის ხარისხი მისი მუხტის ტოლია, სუფთა ელემენტისა კი - ყოველთვის ნულია. შესაბამისად, ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც იონიდან სუფთა ელემენტად იქცევა - ან პირიქით - ჟანგვის ხარისხს იცვლის.

რადგანაც

A

-ისა და

C

-ის ჟანგვის ხარისხი ყოველთვის იცვლება ჩანაცვლების რეაქციაში, ვხვდებით, რომ ჩანაცვლების რეაქციები ჟანგვა-აღდგენითიც არის ხოლმე.

მოდით, ეს განსაზღვრება კიდევ უფრო გასაგები გავხადოთ ერთი მაგალითით.

$Ag {NO}_{3} (ხ ს) + Cu (მ ყ) \to ?$ ‍
$↓$ ‍
$უფერო, გამჭვირვალე$ ‍
$ხსნარი$ ‍

ალბათ შეამჩნევდით, რომ ზედა რეაქციის პროდუქტები ჯერ მითითებული არაა. მეტიც, შესაძლოა იგი საერთოდ არ წარიმართოს! ქვემოთ განვიხილავთ, როგორ უნდა ვიწინასწარმეტყველოთ, რეაქცია წარიმართება თუ არა და რა პროდუქტები წარმოიქმნება. ამასობაში, ჩვენი დაკვირვების უნარები გამოვიყენოთ და გავიაზროთ, რა ხდება.

როგორ გამოიყურება ეს რეაქცია სინამდვილეში?

თავიდან გვაქვს ვერცხლის (I) ნიტრატის გამჭვირვალე, უფერო ხსნარი, რომელშიც სპილენძის მბზინვარე სადენს ვათავსებთ. ხსნარი ოკეანისფერი ლურჯი ხდება, სპილენძის სადენი კი - ნაცრისფერი, თითქოს ქაფდება. რა მაგარია!

მოდით, ახლა ეს ფენომენი ქიმიის მეშვეობით ავხსნათ.

ჩანაცვლების რეაქციების პროდუქტების დადგენა

თუ გვსურს, გავიგოთ, წარიმართება თუ არა ჩანაცვლების რეაქცია, ჯერ ყოველთვის ორ კითხვას უნდა გავცეთ პასუხი

1. რომელი ორი ელემენტი აპირებს ადგილების გაცვლას მოცემულ რეაქციაში?

ზოგადად, ელემენტებს, რომლებიც ანიონებს წარმოქმნიან, შეუძლიათ, ნაერთებში ანიონი ჩაანაცვლონ და პირიქით, კათიონის წარმომქმნელ ელემენტებს კათიონის ჩანაცვლება შეუძლიათ. შემდეგი წესები დაგეხმარებათ, განსაზღვროთ, როგორ იონს წარმოქმნის ელემენტი.

მეტალები, როგორც წესი, კათიონებს წარმოქმნიან. ეს ეხება 1-ლი და მე-2 ჯგუფების მეტალებს, ასევე მე-13 და მე-14 ჯგუფების ზოგ მეტალსა და გარდამავალ მეტალებს.
ჩანაცვლების რეაქციებში არამეტალური ელემენტებიდან ხშირად გვხვდება მე-17 ჯგუფის წარმომადგენლები, რომლებიც, როგორც წესი, 1- მუხტის მქონე ანიონებს წარმოქმნიან.
წყალბადი, უმეტესად, $H^{+}$ ‍ კათიონს წარმოქმნის ჩანაცვლების რეაქციაში.
მუხტი, რომელიც ელემენტს აქვს, ჟანგვის ხარისხთანაა დაკავშირებული. მონოატომური იონის მუხტი მისი ჟანგვის ხარისხის ტოლია.
იმის გასამეორებლად, თუ ჟანგვის რა ხარისხი ახასიათებს სხვადასხვა ელემენტს, უყურეთ ჩვენს ვიდეოს ჟანგვის ხარისხის განსაზღვრის წესებზე.

ამ ჩვენს მაგალითში, მეტალური სპილენძითა და ვერცხლის (I) ნიტრიტის წყალხსნარით, სპილენძი, მეტად სავარაუდოა, რომ რეაქციაში შევა და კათიონს წარმოქმნის, რადგან იგი გარდამავალი მეტალია. სპილენძის კათიონი ვერცხლს ჩაანაცვლებს

Ag {NO}_{3} (ხ ს)

-ში და ახალი ნაერთი წარმოიქმნება.

2. რომელი ახალი ნაერთი წარმოიქმნება პროდუქტად?

მას შემდეგ, რაც დავადგენთ, რომელი ელემენტი ჩანაცვლდება საწყის იონურ ნაერთში, შეგვიძლია, ვიწინასწარმეტყველოთ, თუ რა პროდუქტები მიიღება. ამ მაგალითში, ვერცხლის ატომები

Ag {NO}_{3} (ხ ს)

-ში სპილენძით ჩანაცვლდება და მწვანე

Cu ({NO}_{3})_{2} (ხ ს)

წარმოიქმნება. ამ პროცესში ელემენტური ვერცხლიც

Ag (მ ყ)

წარმოიქმნება პროდუქტის სახით. სრული - და გასწორებული! - რეაქცია ასე ჩაიწერება:

$2 Ag {NO}_{3} (ხ ს) + Cu (s) \to Cu ({NO}_{3})_{2} (ხ ს) + 2 Ag (s)$ ‍

შეესაბამება კი ეს ჩვენს დაკვირვებებს? თურმე,

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

-ის წყალხსნარი მართლაც ლურჯ-მწვანეა, რითაც აიხსნება ხსნარის ფერის შეცვლა. ნაცრისფერი „ქაფი“ კი, რასაც სპილენძზე ვხედავთ, სადენის ზედაპირზე გამოლექილი ვერცხლია.

შეგიძლიათ, სხვა ხერხებიც მოიფიქროთ ჩვენი დასკვნების შესამოწმებლად?

როგორ განვსაზღვროთ, წარიმართება თუ არა ჩანაცვლების რეაქცია

მას შემდეგ, რაც დავადგენთ, რომელი ელემენტები გაცვლიან ადგილებს ჩვენს რეაქციაში, შეგვიძლია, ვიწინასწარმეტყველოთ, წარიმართება თუ არა იგი. ამისთვის უნდა ვიცოდეთ ორი ელემენტის შედარებითი რეაქტიულობა -

C

-სა და

A

-სი ზედა, ზოგადი მოდელიდან ან სპილენძისა და ვერცხლის - ჩვენს მაგალითში. თუ ელემენტი

C

უფრო რეაქტიულია, ვიდრე ელემენტი

A

, მაშინ ნაერთში

A - ს

C

ჩაანაცვლებს. თუ

C

უფრო ნაკლებად რეაქტიულია, ვიდრე

C

, მაშინ რეაქცია არ წარიმართება.

რეაქციისუნარიანობის მწკრივი — იგივე აქტიურობის მწკრივი — ქიმიური ელემენტები დალაგებულია მათი რეაქციისუნარიანობითგარკვეული ტიპის რეაქციებში, ჩანაცვლების რეაქციის ჩათვლით. უფრო მეტად რეაქციისუნარიანი ელემენტი ჩაანაცვლებს მასზე ნაკლებად რეაქციისუნარიან ელემენტს. ცალკე მწკრივი დგება კატიონების წარმომქმნელი ელემენტებისათვის და ცალკე ანიონის წარმომქმნელისათვის.

იმ ელემენტებისთვის, რომლებსაც ახასიათებს ელექტრონების მიღება ანიონების წარმოქმნით, რეაქციისუნარიანობის მიხედვით მეტად აქტიურიდან ნაკლებად აქტიურისკენ, მწკრივი შემდეგნაირია:

ყველაზე მეტად აქტიური F_{2} > {Cl}_{2} > {Br}_{2} > I_{2} ყველაზე ნაკლებად აქტიური

ამ ელემენტებისათვის ასევე შეგვიძლია, განვიხილოთ მათი მდებარეობა პერიოდულ სისტემაში — მე-17 ჯგუფში — რათა დავიმახსოვროთ აქტიურობის მიხედვით მათი თანმიმდევრობა. რაც უფრო ზევითაა ელემენტი განთავსებული სვეტში, მით უფრო აქტიურია. აქტიურობის მწკრივზე დაყრდნობით, ვვარაუდობთ, რომ

{Br}_{2}

ჩაანაცვლებს

I_{2}

-ს ჩანაცვლების რეაქციაში, მაგრამ

{Br}_{2}

ფტორიდ-იონის შემცველ ნაერთებთან ვერ შევა რეაქციაში, ვინაიდან ვერ ჩაანაცვლებს მასზე უფრო აქტიურ ფტორს.

კატიონების წარმომქმნელი ელემენტებისთვის, აქტიურობის მწკრივი უფრო გრძელია და კანონზომიერებაც არ არის პირდაპირი. კატიონების აქტიურობის მწკრივის ნახვა ქვემოთ შეგიძლიათ.

აქტიურობა საკმაოდ რთული ცნებაა! არსებობს ბევრი სხვადასხვა ტიპის რეაქცია, როგორი ტიპის რეაქციისუნარიანობაზე და აქტიურობაზე ვსაუბრობთ ჩვენ? თვისებები, რომლებიც გათვალისწინებულია აქტიურობის მწკრივში, არის რეაქციისუნარიანობა წყალთან და მჟავებთან, და, ცხადია, გათვალისწინებულია, რამდენად ადვილად კარგავს ელემენტი ელექტრონს კატიონის წარმოსაქმნელად. იმის მიხედვით, თუ რა ტიპის აქტიურობაზეა საუბარი, სხვადასხვა სახელმძღვანელოში არსებული მწკრივები განსხვავდება, თუმცა ჩვენ გამოვიყენებთ ზემოთ არსებულ მწკრივს ჩვენი ამოცანების ამოსახსნელად.

აქტიურობის მწკრივის გამოყენების პროცესი ერთი და იგივეა როგორც კატიონებისთვის, ასევე ანიონებისთვის:

მეტად აქტიური ელემენტები ნაერთში ჩაანაცვლებენ ნაკლებად აქტიურ ელემენტებს.

მოდით, დავუბრუნდეთ ჩვენს ექსპერიმენტს, სადაც

{AgNO}_{3} (a q)

-ის ხსნარში ვუშვებთ სპილენძის მავთულს. კატიონების აქტიურობის მწკრივში ვხედავთ, რომ სპილენძი უფრო მაღლაა, ვიდრე ვერცხლი, ამიტომ ველით, რომ ჩანაცვლების რეაქციის დროს სპილენძი უფრო აქტიური იქნება, ვიდრე ვერცხლი. შესაბამისად, ჩვენი ვარაუდით,

{Ag}^{+}

ნაერთში ჩანაცვლდება

{Cu}^{2 +}

-ით, რაც ემთხვევა ჩვენს შედეგებს. მაგარია!

მაგალითი: მიმოცვლის რეაქციის პროდუქტების განსაზღვრა ჩანაცვლების რეაქციაში

მოდით, განვიხილოთ შემდეგი რეაქცია:

{AlPO}_{4} (ხ ს) + Mg (მ ყ) \to

პირველი შეკითხვა, რომელიც უნდა დავსვათ, არის ის, თუ რომელი ელემენტი უნდა ჩაანაცვლოს

Mg

-მა ნაერთ

{AlPO}_{4}

-ში.

Al

არის მეტალი, რომელიც, ჩვეულებრივ, წარმოქმნის 3+ მუხტის მქონე კათიონებს. ამის დამტკიცება შეგვიძლია იმითაც, რომ

{AlPO}_{4}

ნეიტრალურია, ხოლო ფოსფატის მუხტია 3-, ამიტომ ალუმინის კათიონის მუხტი უნდა იყოს 3+. რადგანაც

Mg

ასევე კათიონების წარმომქმნელი მეტალია, შეიძლება, გვეგონოს, რომ

Mg

ჩვენს ნაერთში

Al

-ს ჩაანაცვლებს. თუ კათიონთა რეაქციისუნარიანობას შევამოწმებთ, ვნახავთ, რომ მაგნიუმი მეტად რეაქციისუნარიანია, ვიდრე ალუმინი, ამიტომ ვივარაუდებთ, რომ მიმოცვლის რეაქცია მოხდება.

რომელი პროდუქტების მიღებას ველოდებით ჩანაცვლების რეაქციის შედეგად? ჩვენ ველოდებით, რომ წარმოიქმნება

Al (s)

და ახალი ნაერთი

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

{Mg}^{2 +}

-ის და

{PO}_{4}^{3 -}

-ის იონებისთვის მთელი რიცხვები უნდა ავიღოთ და ისე გავაერთიანოთ, რომ ჯამური იონური ნაერთი ნეიტრალური იყოს. ეს პირობები შესრულდება, თუ გვექნება

{Mg}^{2 +}

-ის სამი იონი და

{PO}_{4}^{3 -}

-ის ორი იონი, რათა მათი მუხტების გაერთიანებით მივიღოთ

(3 \times 2^{+}) + (2 \times 3^{-}) = 0

ეს გვაძლევს შემდეგ რეაქციას:

${AlPO}_{4} (ხ ს) + Mg (s) \to Al (s) + {Mg}_{3} ({PO}_{4})_{2} (ხ ს) გაფრთხილება: გაუთანაბრებელია$ ‍

თუმცა ჯერ ბოლომდე არ მოვრჩენილვართ, ვინაიდან რეაქცია გაუთანაბრებელია. ამის გასწორება შესაძლებელია, თუ

{AlPO}_{4}

-ს გავამრავლებთ 2-ზე,

Mg (s)

-ს 3-ზე და

Al (s)

-ს 2-ზე. ეს საბოლოოდ გვაძლევს გათანაბრებულ რეაქციის ტოლობას:

პოლიატომური იონების შემცველი რეაქციების გათანაბრებაში შეიძლება ჩანაცვლების მეთოდი დაგვეხმაროს. თუ არ ხართ დარწმუნებული, ეს რა არის, ან გინდათ, რომ კიდევ ერთხელ გადახედოთ, ნახეთ ეს ვიდეო ჩანაცვლების მეთოდით რეაქციების გათანაბრების შესახებ.

$2 {AlPO}_{4} (ხ ს) + 3 Mg (მ ყ) \to 2 Al (მ ყ) + {Mg}_{3} {(PO}_{4})_{2} (ხ ს)$ ‍

შეჯამება

ქვემოთ მოცემულია ჩანაცვლების რეაქციების ზოგადი სახე

A B (ხ ს) + C \to A + C B (ხ ს)

როდესაც ნაერთში ერთი ელემენტი ნაცვლდება მეორით, წარმოიქმნება ახალი ნაერთი და ახალი ელემენტი. ჩანაცვლების რეაქციებისთვის ასევე უნდა დავიმახსოვროთ:

ელემენტები, რომლებიც მიდრეკილები არიან, წარმოქმნან კატიონები — ძირითადად მეტალები და წყალბადი — ნაერთში ჩაანაცვლებენ კატიონს, ხოლო ელემენტები, რომლებიც მიდრეკილები არიან, წარმოქმნან ანიონები — ძირითადად მე-17 ჯგუფის ჰალოგენები — ნაერთში ჩაანაცვლებენ ანიონს.
რაც უფრო მაღლა დგას ელემენტი აქტიურობის მწკრივში, მით უფრო აქტიურად შედის ის ჩანაცვლების რეაქციაში. ჩვენი ვარაუდით, ჩანაცვლების რეაქცია წავა მაშინ, როდესაც ნაერთში ნაკლებად აქტიური ელემენტის ჩანაცვლება შესაძლებელია მეტად აქტიური ელემენტით.

წყარო:

ეს სტატია ადაპტირებულია შემდეგი სტატიიდან „Types of Chemical Reactions: Single- and Double-Displacement Reactions“. წყარო: Beginning Chemistry, CC-BY-NC-SA 3,0.

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC-BY-NC-SA 4,0.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია

ბრუნინგი, ენდი. "მეტალთა რეაქციისუნარიანობის მწკრივები." Compound Interest. http://www.compoundchem.com/2015/03/10/reactivity-series

ჯ.ე. მაკმური და რ.ჩ. ფეი. "ელემენტთა აქტიურობის მწკრივები." წყარო: General Chemistry: Atoms First, 253-255. მერე გამოცემა. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, 2014.

სცადე!

ამოცანა 1

რა იქნება მოცემული მიმოცვლითი რეაქციის სავარაუდო პროდუქტები?

NaBr (ხ ს) + {Cl}_{2} \to

NaBr

იონური ნაერთი შედგება

{Na}^{+}

კატიონისა და

{Br}^{-}

ანიონისგან. ელემენტი

{Cl}_{2}

ქმნის

{Cl}^{-}

ანიონს.

შესაბამისად, გვინდა, წინასწარ განვსაზღვროთ,

{Cl}^{-}

თუ შეცვლის

{Br}^{-}

-ს

NaBr

-ში.

ამოცანა 2

თუკი გვინდა ხსნარიდან სპილენძის გამოლექვა ${CuSO}_{4}$ ‍-ის სახით, რომელი რეაგენტები უნდა დავამატოთ ჩვენს ხსნარს?

გვინდა,

{CuSO}_{4}

შევცვალოთ

{Cu}^{2 +}

-ით, რომ მივიღოთ

Cu (s)

. რადგან კატიონს ვანაცვლებთ, ჩანაცვლების რეაქციაში მეორე რეაგენტი იქნება ელემენტი, რომელიც კატიონს ქმნის—და შესაბამისად, სავარაუდოდ, მეტალი იქნება. ეს პასუხებიდან გამორიცხავს ჰალოგენ

I_{2}

-ს, რადგან იგი

I^{-}

ანიონს ქმნის.

{AgNO}_{3} (ხ ს)

-იც შეგვიძლია, გამოვრიცხოთ, რადგან იგი არაა მარტივი ნივთიერება!

მიმოცვლითი რეაქციის წარმართვისთვის გვჭირდება ელემენტი, რომელიც რეაქციისუნარიანობის მწკრივში სპილენძზე უფრო მეტად რეაქციისუნარიანია. ჩვენს შესაძლებლობაში არსებული

Ag (მ ყ)

ნაკლებად რეაქციისუნარიანია, ვიდრე

Cu (მ ყ)

და

Zn (მ ყ)

მეტად რეაქციისუნარიანია, ვიდრე

Cu (მ ყ)

შესაბამისად, პასუხია $Zn (s)$ ‍.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.