Αντίδραση απλής αντικατάστασης

Οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης είναι κατηγορία οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων στις οποίες ένα χημικό στοιχείο (Α) αντικαθιστά ένα άλλο (Β) σε μιά χημική ένωση. Οι αντιδράσεις αυτές είναι της γενικής μορφής : Α + ΒΣ → ΑΣ + Β. Αυτό συμβαίνει διότι το Α είναι πιo δραστικό στοιχείο από το Β. Τα στοιχεία Α και Β μπορεί να είναι και τα δύο μέταλλα ή και τα δύο αμέταλλα. Το στοιχείο Σ δε συμμετέχει στο φαινόμενο (στοιχείο-παρατηρητής) και μπορεί να έχει αρνητικό αριθμό οξείδωσης (αν το Β έχει θετικό) ή θετικό αριθμό οξείδωσης (αν το Β έχει αρνητικό). Το στοιχείο Α στα αντιδρώντα έχει αριθμό οξείδωσης 0 και στην ένωση ΑΣ έχει διάφορο του 0. Παρομοίως το Β έχει διάφορο του 0 στην ΒΣ και 0 στα προϊόντα. Άρα το Α οξειδώνεται και το Β ανάγεται. Επομένως οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης είναι οξειδοαναγωγικές.

 Στις αντιδράσεις αυτές ένα αμέταλλο (Α) αντικαθιστά : Τα επόμενά του (Β) στη σειρά οξειδωτικής ισχύος αμετάλλων, εφόσον το (Β) έχει αρνητικό αριθμό οξείδωσης στην ένωση (ΘΒ) : Α + ΘΒ → ΘΑ + Β π.χ. Cl20 + 2KI-1 → 2KCl-1 + I20. Τα προηγούμενά του (Β) στη σειρά οξειδωτικής ισχύος αμετάλλων, εφόσον το (Β) έχει θετικό αριθμό οξείδωσης στην ένωση (ΒΘ) : Α + ΒΘ → ΑΘ + Β π.χ. I20 + 2KCl+5O3 → 2KI+5O3 + Cl20Η σειρά οξειδωτικής ισχύος των αμετάλλων είναι : Η σειρά αυτή είναι γνωστή και ως σειρά οξειδωτικής ισχύος των αμετάλλων : Όσο αριστερότερα είναι ένα αμέταλλο, τόσο οξειδωτικότερο είναι. Το καθένα αντικαθιστά τα επόμενά του, στις ενώσεις στις οποίες περιέχονται με αρνητικό αριθμό οξείδωσης. Παραδείγματα :F2 + 2KBr → 2KF + Br2 X2 + H2S → 2HX + S (X = F,Cl,Br,I) 3X2 + 8NH3 → N2 + 6NH4X 2F2 + SiO2 → SiF4 + O2 Cl2 + H2O2 → 2HCl + O2 Br2 + KF → αδύνατη.Το καθένα αντικαθίσταται από τα επόμενά του, στις ενώσεις στις οποίες περιέχονται με θετικό αριθμό οξείδωσης. Τέτοιες ενώσεις είναι συνήθως άλατα όπως KXO3, NaXO κ.ά. Παραδείγματα :Br2 + NaClO3 → NaBrO3 + Cl2 I2 + KBrO → 2KIO + Br2 KBrO + F2 → αδύνατη Το οξυγόνο οξειδώνει πολλές κατηγορίες ενώσεων. Παρόλο που είναι μετά το χλώριο και το βρώμιο, εν τούτοις μπορεί σε μερικές περιπτώσεις να τα αντικαταστήσει. Φυσικά αντικαθιστά τα αμέταλλα μετά απ' αυτό στη σειρά :O2 + 2HX → 2H2Ο + 2X2 (X = Cl, Br, I) O2 + H2S → 2H2Ο + 2S O2 + 2CaI2 → 2CaO + 2I2 3O2 + 4MX3 → 2M2O3 + 6X2 (M = Al, Fe και Χ = Br, Cl)Αντικαθιστά το Ν στην αμμωνία (καύση της αμμωνίας) :2NH3 + 3/2 O2 → 3H2Ο + N2Το καθαρό ή το ατμοσφαιρικό Ο2 αντικαθιστά τον άνθρακα στις οργανικές ενώσεις και τον μετατρέπει σε CO2 (καύση οργανικών ενώσεων) :CH4 + O2 → CO2 + 2H2OΑντικαθιστά το θείο από πολλά ορυκτά όπως σιδηροπυρίτη (FeS2), σφαλερίτη (ZnS), γαληνίτη (PbS) κ.ά. Το θείο μετατρέπεται σε SO2 και όχι σε ελεύθερο S :2FeS2 + 11/2 O2 → Fe2O3 + 4SO2 ZnS + 3/2 O2 → ZnO + SO2 Ο άνθρακας στις αντιδράσεις απλής αντικατάστασης, αντικαθιστά μέταλλα μάλλον παρά αμέταλλα. Αντικαθιστά το Si στο SiO2 δίνοντας SiC αν είναι σε περίσσεια :SiO2 + 2C → Si + 2CO SiO2 + 3C → SiC + 2COΑντικαθιστά τον Ρ, το Ν, το As στα οξείδια τους (παρόλο που είναι μετά απ' αυτά στη σειρά) επειδή έχουν θετικούς αριθμούς οξείδωσης. Ο P έχει αο. = +5 ή +3 στα οξείδιά του, το Ν έχει α.ο. = +2 στο ΝΟ και το As έχει α.ο. = +3 στο As2O3 :10C + 2P2O5 → P4 + 10CO 6C + 2P2O3 → P4 + 6CO C + 2NO → N2 + CO2 3C + As2O3 → 2As + 3CO Στις αντιδράσεις αυτές ένα μέταλλο (M) αντικαθιστά τα επόμενά του (Μ') στην ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων : Μ + Μ'Α → ΜΑ + Μ' όπου Α = ανιόν μονοατομικό (π.χ Cl-) ή και πολυατομικό (π.χ SO42-) π.χ. Fe + HgS → FeS + Hg, Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu. Η ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων είναι : Κάθε μέταλλο αντικαθιστά στις ενώσεις τους τα μέταλλα που βρίσκονται μετά από αυτό στη σειρά επειδή είναι ισχυρότερο αναγωγικό. Γι'αυτό η σειρά είναι γνωστή και ως σειρά αναγωγικής ισχύος των μετάλλων : Όσο αριστερότερα βρίσκεται ένα μέταλλο, τόσο αναγωγικότερο είναι. Εαν το μέταλλο που αντικαθιστά (δηλ. το Μ στο γενικό σχήμα Μ + Μ'Α → ΜΑ + Μ') έχει πολλούς αριθμούς οξείδωσης (όπως π.χ. ο σίδηρος, Fe), τότε στο άλας ΜΑ θα έχει το μικρότερο απ' αυτούς. Εξαίρεση αποτελεί ο χαλκός (Cu) που έχει δύο αριθμούς οξείδωσης +1 και +2 αλλά στη παραπάνω σειρά προηγείται ο Cu2+ (βλέπε σημείωση) : 3Fe + 2AuCl3 → 3FeCl2 + 2Au Cu + 2AgNO2 → Cu(NO2)2 + Ag 3Fe + Bi2S3 → 3FeS + 2Bi 2K[Ag(CN)2] + Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr 3Mn3O4 + 8Al → 4Al2O3 + 9Mn Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe Fe + CaCl2 → αδύνατη Cu + ZnSO4 → αδύνατη Αντικατάσταση υδρογόνου από μέταλλο Τα μέταλλα αριστερά του Η2 στη σειρά μπορούν να το αντικαταστήσουν σε διάφορες ενώσεις του. Μ + οξύ → άλας + Η2 όπου Μ = μέταλλο αριστερά του υδρογόνου στη σειρά εκτός του μολύβδου (Pb) και οξύ = κάθε οξύ εκτός από το νιτρικό (ΗΝΟ3) και το πυκνό θειικό (H2SO4)Ba + 2HCl → BaCl2 + H2 Fe + H2SO4 (αραιό) → FeSO4 + H2 Ag + HCl → αδύνατη Au + Η2SO4 (αραιό) → αδύνατηΜ + νερό → υδροξείδιο ή οξείδιο + Η2 όπου Μ = μέταλλο κυρίως K, Ca, Ba, Na αλλά και άλλα μέταλλα αριστερά του Η2 στη σειρά που αντιδρούν όμως σε υψηλή θερμοκρασία με το νερό δίνοντας κυρίως το αντίστοιχο οξείδιο.Na + H2Ο → NaOH + 1/2 H2 Ba + 2H2Ο → Ba(OH)2 + H2 Mg + H2Ο → MgO + H2 3Fe + 4H2Ο → Fe3O4 + 4H2 (στους 530°C) 2Al + 3H2Ο → Al2O3 + 3H2 Cu + H2Ο → αδύνατηAl,Zn,Sn,Pb + ισχυρή βάση → άλας + Η2 όπου ισχυρή βάση = ΚΟΗ, ΝaOΗ.Zn + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2 Pb + 2KOH → K2PbO2 + H2 Αντικατάσταση μετάλλου από υδρογόνο Το υδρογόνο μπορεί να αντικαταστήσει μέταλλα στα οξείδια τους ή στα άλατα τους. Τα μέταλλα αυτά είναι δεξιότερα του υδρογόνου στην ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων. Εξαίρεση αποτελεί ο Fe στο Fe2O3 : CuO + H2 → Cu + H2O AgCl + 1/2 H2 → HCl + Ag Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O Ορισμένα ισχυρά αναγωγικά μέταλλα όπως τα αλκάλια (Li, Κ, Na, Rb, Cs) αλλά και το μαγνήσιο (Mg) και το αργίλιο (Αl), μπορούν να αντικαταστήσουν κάποια αμέταλλα από ενώσεις στις οποίες αυτά έχουν θετικό αριθμό οξείδωσης : SO2 + 2Mg → 2MgO + S CO2 + Mg → 2MgO + C SiF4 + 4K → Si + 4KF B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO Σπάθης Π. "Μεταλλουργία & Τεχνολογία Μετάλλων", Θεσσαλονίκη 1988 Μανουσάκης Γ.Ε. "Γενική και Ανόργανη Χημεία", Τόμοι 1ος και 2ος, Θεσσαλονίκη 1981. Μανωλκίδης Κ., Μπέζας Κ. "Στοιχεία Ανόργανης Χημείας", Έκδοση 14η, Αθήνα 1984. Τοσσίδης Ι. "Χημεία Ενώσεων Συναρμογής", Θεσσαλονίκη 1986. Δημητριάδης Θ. Γ. "Test Οξειδοαναγωγής", Αθήνα 1989. Μπαζάκης Ι. Α. "Γενική Χημεία", Αθήνα. Μάτης Κ. Α., Γιαννακουδάκης Δ. Α. "Μαθήματα Χημικής Μηχανικής", Θεσσαλονίκη 1985. Βασιλικιώτης Γ. Σ. "Ποιοτική Ανάλυση", Θεσσαλονίκη 1980. Μανωλκίδης Κ., Μπέζας Κ. "Χημικές Αντιδράσεις", Αθήνα 1976. Αντιδράσεις διπλής αντικατάστασης Εξουδετέρωση Ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων