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.

Απλή αντικατάσταση μεταξύ αμετάλλων
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 + Cl20
Η σειρά οξειδωτικής ισχύος των αμετάλλων είναι :
 F2  O3  Cl2  Br2  O2  I2  S  P  As  N2  B  C  Si
Η σειρά αυτή είναι γνωστή και ως σειρά οξειδωτικής ισχύος των αμετάλλων : Όσο αριστερότερα είναι ένα αμέταλλο, τόσο οξειδωτικότερο είναι.

Δράσεις των αλογόνων
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

Δράσεις του οξυγόνου
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 + N2
Το καθαρό ή το ατμοσφαιρικό Ο2 αντικαθιστά τον άνθρακα στις οργανικές ενώσεις και τον μετατρέπει σε CO2 (καύση οργανικών ενώσεων) :
CH4 + O2 → CO2 + 2H2O
Αντικαθιστά 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

Δράσεις του άνθρακα
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 + 2CO
Αντικαθιστά 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

Απλή αντικατάσταση μεταξύ μετάλλων
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 :
  Li  K  Ba  Ca  Na  Mg  Al  Mn  Zn  Cr  Fe  Co  Ni  Sn  Pb  H2 Bi  Cu Hg  Ag  Hg  Pt  Au
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.

Δράσεις των διαφόρων μετάλλων
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

Δράσεις του υδρογόνου

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) → αδύνατη
Μ + 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 → αδύνατη
Al,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

Απλή αντικατάσταση αμετάλλου από μέταλλο
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

Σημειώσεις

Πηγές
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.

Δείτε επίσης 
Αντιδράσεις διπλής αντικατάστασης
Εξουδετέρωση
Ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων

Είδη χημικών αντιδράσεων