主要内容

课程: 化学 > 单元 2

课程 4: 化学反应的类型

单置换反应

单替代（或单置换）反应的定义。通过金属活动性来预测和确定产物。

什么是置换反应？

置换反应，有时也被称为 单置换反应。它是一种由一种元素取代化合物中的另一种元素的反应。原料通常是纯的元素，例如纯的锌金属或氢气，以及含水化合物。当置换反应发生时，将产生新的含水化合物和不同的纯元素作为产物。置换反应的一般模式如下所示。

$A B (a q) + C \to A + C B (a q)$ ‍
$↓ ↓$ ‍
$纯元素!$ ‍

我们可以看到化合物

A B

中 的 A

被

C

置换出来生成了新的化合物

C B

和元素

A

。你可能还会注意到

A

开始时是在溶液中以离子形式存在，但最后形成纯元素的产物。反应物

C

与之正好相反：它作为反应物开始时是以纯元素的形式存在，但在反应结束时它成为化合物

C B (a q)

的一部分，以离子形式出现在溶液中。

当化学物质从离子变为纯元素时，它表明发生了一种特殊类型的反应 — 氧化还原反应，缩写为 redox。这些反应以这种方式命名是因为溶液中单原子离子的氧化态等于其电荷，而纯元素的氧化态总是为零。因此，任何物质从离子到纯元素都必然发生了氧化态的改变- 反之亦然。

因为

A

和

C

的氧化态在置换反应中总是发生改变，所以我们知道置换反应一定也是氧化还原反应。

让我们尝试通过一个示例反应来理解这个定义。

$Ag {NO}_{3} (a q) + Cu (s) \to ?$ ‍
$↓$ ‍
$透明，无色$ ‍
$溶液$ ‍

你可能已经注意到上述反应的产物还没有确定。事实上，也有可能这个反应根本就不会发生！我们将在下一节中弄清楚这个反应是否会发生，以及它可能形成哪些产品。同时，我们还可以使用我们敏锐的观察能力开始思考将会发生的事情。

现实生活中这种反应是什么样的？

我们先从透明 无色的 硝酸银溶液开始，然后我们放一些闪亮的铜线进去。溶液开始变为海蓝色，铜线则开始呈灰色，变得毛糙。很酷吧！

我们现在尝试用化学来解释这种现象。

确定置换反应的产物

如果我们想弄清楚是不是会发生置换反应，需要回答两个主要的问题：

1. 在我们提出的反应中可能会交换位置的两个元素是什么？

通常，形成阴离子的元素可以代替化合物中的阴离子，形成阳离子的元素可以代替化合物中的阳离子。下面的这些原则可用于确定给定元素可能形成的离子类型。

金属通常会形成阳离子。这里包括第1族和第2族元素，第13族和第14族部分元素，以及过渡金属。
置换反应中常见的非金属是第17族元素，它们通常形成具有 1- 电荷的阴离子。
氢元素通常在置换反应中形成阳离子 $H^{+}$ ‍。

在铜金属与硝酸银水溶液的反应中，铜金属可能会反应形成铜阳离子，因为它是过渡金属。铜阳离子可以取代化合物

Ag {NO}_{3} (a q)

中的银阳离子，从而形成新的化合物。

2. 什么是作为产物生成的新化合物?

当我们知道了离子化合物中可能被替换的元素后，就可以预测可能形成的产物。在这个示例中，

Ag {NO}_{3} (a q)

中的银原子可以被铜替换生成

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

。在这个过程中，元素银，

Ag (s)

，将作为产物生成。可以写出完整并且平衡的反应，如下所示：

$2 Ag {NO}_{3} (a q) + Cu (s) \to Cu ({NO}_{3})_{2} (a q) + 2 Ag (s)$ ‍

这与我们观察到的情况相符吗？看到

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

的水溶液是蓝绿色的，正好解释了溶液颜色的变化。在铜线上生长出的灰色绒毛装物质正是在金属丝表面上沉淀的金属银。

你还能想到其他的测量方法来检查我们的结论吗？

预测一下是否会发生置换反应

当我们知道哪些元素可能在置换反应中被交换以后，可以根据两个元素的相对的活跃程度的来预测反应是否会发生。例如比较一下上面通用公式中的元素

C

和

A

，或者示例反应中的铜和银的活跃程度。如果元素

C

比元素

A

更活跃，那么

C

将会在化合物中替代

A

。如果元素

C

没有元素

A

活跃，那么将不会发生反应。

活动性顺序，又称 活性序，是根据元素在某些反应类型中的活动性为元素排序，这些反应类型也包括置换反应。在活动性顺序中，活动性较强的元素将取代活动性较低的元素，但是反之则不能成立。形成阳离子的元素和形成阴离子的元素是分别不同的两个排序。

关于倾向于获得电子形成阴离子的元素，从最活跃到最不活跃的活动性顺序如下：

最活跃的 F_{2} > {Cl}_{2} > {Br}_{2} > I_{2} 最不活跃的

关于这些元素，我们还可以看一下它们在元素周期表上第17族的排列，以方便记住它们的活动性的顺序。元素在列中的位置越高，它的活动性就越强。根据这个活动性的排序，可以预测在置换反应中

{Br}_{2}

将会替换掉

I_{2}

，但是

{Br}_{2}

将不会与含有氟离子的化合物发生反应。

关于那些可以形成阳离子的元素，它们的活动性排序更长，并且情况不那么简单。我们可以在下面看到阳离子活动性排序的示例。

元素的活动性是比较复杂的！毕竟反应的类型就有很多种，那么我们排序的到底是什么反应类型下的元素活动性呢？在活动性排序中会考虑的一些特性包括与水和酸的反应的活动性，以及元素失去电子以形成阳离子的难易程度。由于活动性的定义方式不同，可能会看到不同的老师或教科书会给出不同的元素排列顺序。就本文而言，我们将使用上面的元素活动性顺序作为解答我们示例问题的参考。

使用活动性顺序的步骤对于阳离子和阴离子都是相同的：

活动性较高的元素将取代化合物中活动性较低的元素。

让我们回想一下

{AgNO}_{3} (a q)

与铜线结合的那个实验。在阳离子的活动性排序中，我们看到铜的排序比银高，所以预测在置换反应中铜的活动性比银的活动性高。因此我们还可以预测

{Ag}^{+}

在化合物中将会被铜

{Cu}^{2 +}

取代，这与实验结果正相符。万岁！

示例：预测置换反应的产物

让我们来考虑下面这个反应

{AlPO}_{4} (a q) + Mg (s) \to

可能会问的第一个问题是

Mg

可以替换化合物

{AlPO}_{4}

中的哪个元素呢？

Al

是一种金属，通常会形成电荷数为 3+ 的阳离子。我们可以验证这一点，因为

{AlPO}_{4}

是中性的，而磷酸盐的电荷数是 3- charge，所以铝离子是阳离子并且电荷数一定是 3+ 。因为

Mg

也是可以形成阳离子的金属，我们预测

Mg

会替代化合物中的

Al

。如果我们查看阳离子的活动性排序，可以看到镁比铝的活动性高，所以判断会发生置换反应。

从这个置换反应中会得到什么产物？我们预测会形成元素

Al (s)

和新的离子化合物

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

。

这给出了以下反应：

${AlPO}_{4} (a q) + Mg (s) \to Al (s) + {Mg}_{3} ({PO}_{4})_{2} (a q) 注意: 不平衡!$ ‍

还没有完成，因为反应式还不平衡。为解决这个问题，我们可以将反应式两边的

{AlPO}_{4}

乘以2，

Mg (s)

乘以3，反应生成物

Al (s)

乘以2。这样就得出了最终的平衡方程：

$2 {AlPO}_{4} (a q) + 3 Mg (s) \to 2 Al (s) + {Mg}_{3} {(PO}_{4})_{2} (a q)$ ‍

总结

置换反应的总式如下

A B (a q) + C \to A + C B (a q)

一个元素替代化合物中的另一个元素以生成新元素和新化合物。关于替换反应需要记住的其他事项包括：

可能形成阳离子的元素 — 通常是金属元素或氢气 — 将替代化合物中的阳离子；可能形成阴离子的元素 — 通常是第17族卤素 — 将替代化合物中的阴离子。
在活动性排序中排名较高的元素在置换反应中活动性较强。如果化合物中活动性较弱的元素能被活动性较强的元素替换，我们判断将会发生置换反应。

引用

本文改编自 "Types of Chemical Reactions: Single- and Double-Displacement Reactions" 选自 Beginning Chemistry, CC-BY-NC-SA 3.0。

修改后的文章根据 CC-BY-NC-SA 4.0 许可证授权

其他参考文献

Brunning, Andy. "The Metal Reactivity Series." Compound Interest. http://www.compoundchem.com/2015/03/10/reactivity-series

McMurry, J. E., 和 R. C. Fay. "The Activity Series of the Elements." 发表于 General Chemistry: Atoms First, 253-255. 2nd ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, 2014。

尝试一下！

问题 1

下面这个置换反应的产物是什么？

NaBr (a q) + {Cl}_{2} \to

问题 2

如果我们想从 ${CuSO}_{4}$ ‍ 溶液中获取铜的沉淀物，应该向溶液中添加哪种反应物？

我们要从

{CuSO}_{4}

溶液中置换出

{Cu}^{2 +}

形成元素

Cu (s)

。因为我们要替换的是阳离子，所以在这个置换反应中我们要添加的第二种反应物应该是某种可以形成阳离子的元素 — 比如某种金属元素。这就可以从答案中排除了卤素

I_{2}

因为它形成的是阴离子

I^{-}

。

我们还可以排除

{AgNO}_{3} (a q)

因为它根本就不是一种纯元素！

想加入讨论吗？

排序方式:

尚无帖子。

你会英语吗？单击此处查看更多可汗学院英文版的讨论.