الشارح للدرس: تفاعلات الاستبدال العلوم

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تفاعُلات الاستبدال الأحادية والثنائية، ونفسِّرها.

تفاعُل الاستبدال هو أحد أنواع التفاعُلات الكيميائية الذي يُعرَف أيضًا باسم «تفاعُل الإحلال». هناك نوعان مختلفان من تفاعُلات الاستبدال؛ وهما تفاعُل الاستبدال الأحادي، وتفاعُل الاستبدال الثنائي.

كلمة «استبدال» تعني «مُبادَلة»، وهذه إحدى طُرق التفكير في تفاعُل الاستبدال.

لكي نفهَم تمامًا ما يَحدُث في هذه الأنواع من التفاعُلات الكيميائية، علينا أولًا تناوُل سلسلة النشاط الكيميائي.

يوضِّح الشكل الآتي سلسلة النشاط الكيميائي. تُشير السلسلة إلى العناصر الأكثر نشاطًا من غيرها. تُوصَف العناصر الموجودة بالقرب من أعلى السلسلة بأنها أكثر نشاطًا من العناصر الموجودة أسفل السلسلة.

عادةً ما تكون العناصر الأكثر نشاطًا، مثل الصوديوم والبوتاسيوم، لها تفاعُلات أقوى من العناصر الأقلِّ نشاطًا، مثل الفضة والذهب.

مثال ١: تحديد اسم قائمة عناصر لها أنشطة كيميائية مختلفة

ما الاسم الذي يُطلَق على قائمة العناصر الموضَّحة عند مناقشة نشاط العناصر المختلفة؟

1. فلزات الجدول الدوري
2. سلسلة تعادُل الفلزات
3. سلسلة تفاعُلات الاستبدال
4. سلسلة التفاعُلات الكيميائية
5. سلسلة النشاط الكيميائي

الحل

إذا نظرنا إلى القائمة، فسنَجِد أنها تحتوي على عناصر أكثر نشاطًا، مثل البوتاسيوم والصوديوم في الأعلى. ونجد أيضًا أنها تحتوي على عناصر أقلَّ نشاطًا، مثل الفضة والذهب في الأسفل.

هناك احتمال كبير أن تكون هذه القائمة لها علاقة بالنشاط الكيميائي.

في حين أن تفاعُلات الاستبدال تعتمد على نشاط المواد الكيميائية المختلفة، فإن القائمة لا تتضمَّن أمثلة على تفاعُلات التعادُل ولا التفاعُلات الكيميائية ولا تفاعُلات الاستبدال؛ ومن ثَمَّ يُمكننا استبعاد الإجابات (ب)، (ج)، (د).

العناصر الموجودة في القائمة جميعها فلزات، ولكن القائمة لا تحتوي على جميع فلزات الجدول الدوري. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي القائمة على الهيدروجين، وهو عنصر لا فلزي. ومن ثَمَّ، يُمكننا استبعاد الإجابة (أ).

تُشير العبارة الواردة في الإجابة (هـ) إلى سلسلة النشاط الكيميائي. ويرتبط النشاط الكيميائي بالتفاعُلات المختلفة للعناصر. لقد لاحَظنا من قبلُ أن القائمة تحتوي على عناصر أكثر نشاطًا في الأعلى وعناصر أقلَّ نشاطًا في الأسفل.

بناءً على ذلك، يُمكننا استنتاج أن الإجابة (هـ)، أيْ سلسلة النشاط الكيميائي، هي الإجابة الصحيحة.

في أيِّ تفاعُل استبدال، يحلُّ فلز أكثر نشاطًا محلَّ فلز آخَر أقلَّ نشاطًا في مركَّب آخَر.

يُمكننا تمثيل فكرة تفاعُل الاستبدال هذه باستخدام شكلٍ بسيطٍ يحتوي على مكعبات.

تخيَّل أن المكعب الأخضر يمثِّل فلزًّا نَشِطًا للغاية، والمكعب الأزرق يمثِّل فلزًّا أقلَّ نشاطًا، والمكعب الأحمر يمثِّل أنيونًا سالبًا، مثل الكلور. يَحدُث تفاعُل استبدال عندما يحلُّ الفلز الأكثر نشاطًا، أي المكعب الأخضر، محلَّ الفلز الأقلِّ نشاطًا، أي المكعب الأزرق، في مركَّب ما.

فلزات المجموعة الأولى أكثر نشاطًا من الهيدروجين إلى حدٍّ كبير. ويُمكن أن يحلَّ الفلز الأكثر نشاطًا محلَّ الهيدروجين في الماء أو الأحماض.

يوضِّح التفاعُل الآتي كيف يُمكن لفلزات المجموعة الأولى أن تحلَّ محلَّ الهيدروجين في الماء:

توضِّح المعادلتان الآتيتان كيف يحلُّ أحد فلزات المجموعة الأولى (الصوديوم) محلَّ الهيدروجين في الماء:

إذا نظرنا جيدًا إلى الشكل الآتي، فسنلاحِظ كيف أعادت الذرات ترتيب نفسها خلال هذا التفاعُل الكيميائي.

تحلُّ ذرات الصوديوم الأكثر نشاطًا محلَّ ذرات الهيدروجين الأقلِّ نشاطًا في جزيئات الماء:

غالبًا ما يوضِّح المعلِّمون هذا التفاعُل في المعامل المدرسية. وخلال هذه التجربة التوضيحية، لا يُستخدَم سوى قِطَع صغيرة جدًّا من الصوديوم. توضِّح الصورة الآتية تفاعُل قطعة كبيرة من الصوديوم مع الماء بقوة شديدة في وعاء كبير، وهو ما أدَّى إلى شرخ الوعاء الزجاجي.

هذا النوع من تفاعُل الاستبدال الأحادي يُمكن ملاحَظته أيضًا عندما تتفاعَل الفلزات مع الأحماض المعدنية المخفَّفة.

توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية التفاعُل بين الزنك وحمض الهيدروكلوريك المخفَّف.

أثناء التفاعُل، يحلُّ فلز الزنك محلَّ ذرات الهيدروجين من جزيئين من حمض الهيدروكلوريك. والنتيجة هي تكوين ملح (كلوريد الزنك) وغاز الهيدروجين:

إذا نظرنا إلى سلسلة النشاط الكيميائي، فسنَجِد أن هناك عناصر، مثل المغنيسيوم والزنك والألومنيوم، أكثر نشاطًا من الهيدروجين. ويُمكن أن تحلَّ فلزات مثل الألومنيوم والزنك محلَّ ذرات الهيدروجين في حمض الهيدروكلوريك.

ولكن لا يَحدُث أيُّ تفاعُل عند إضافة فلزات مثل النحاس أو الفضة أو الذهب إلى حمض الهيدروكلوريك؛ نظرًا لأن هذه الفلزات أقلُّ نشاطًا من الهيدروجين.

يتضمَّن المثال الأخير على تفاعُلات الاستبدال البسيطة استبدال فلز نَشِط للغاية بفلز أقلَّ نشاطًا في محلوله الملحي.

لاحِظ تفاعُل فلز الزنك مع محلول كبريتات النحاس الثنائي.

يُعَدُّ الزنك أكثر نشاطًا من النحاس؛ ومن ثَمَّ سيحلُّ محلَّ النحاس في محلول كبريتات النحاس الثنائي. وفي هذا التفاعُل، يَفقِد محلول كبريتات النحاس الثنائي الأزرق لونَه عند إنتاج كبريتات الزنك، ويقلُّ تركيز كبريتات النحاس الثنائي.

سيُضاف فلز الزنك تدريجيًّا إلى المحلول أثناء تكوينه لكبريتات الزنك، وسيتجمَّع فلز النحاس الصُّلب البُنِّي في قاع الكأس الزجاجية.

المعادلة الكيميائية لتفاعُل الاستبدال هذا هي:

قد تتضمَّن الأمثلة الأخرى على هذا النوع من التفاعُل إحلال فلز المغنيسيوم محلَّ الرصاص في محلول نيترات الرصاص الثنائي:

نيترات المغنيسيوم، كغيرها من المحاليل الشائعة الأخرى للمغنيسيوم مثل كبريتات المغنيسيوم وكلوريد المغنيسيوم، محلول عديم اللون.

هناك شكلٌ آخَر من أشكال تفاعُل الاستبدال التي تعنينا، وهو تفاعُل الاستبدال الثنائي.

تفاعُل التعادُل تفاعُلٌ بين حمض وقلوي يَنتُج عنه ماء وملح:

توضِّح المعادلتان الآتيتان مثالًا على تفاعُل التعادُل. توضِّح المعادلة كيف يُمكن أن يتفاعَل حمض الهيدروكلوريك مع هيدروكسيد الصوديوم لتكوين الماء وملح كلوريد الصوديوم:

يُمكننا اعتبار هذا التفاعُل أيضًا تفاعُل استبدال. الصوديوم أكثر نشاطًا من الهيدروجين؛ ومن ثَمَّ يُمكن أن يحلَّ محلَّه.

إذا نظرنا جيدًا إلى معادلة الرموز الموضَّحة السابقة، فسنَجِد أن الصوديوم حلَّ محلَّ ذرات الهيدروجين في الحمض المخفَّف، مكوِّنًا الملح أو كلوريد الصوديوم. وتتَّحِد ذرة الهيدروجين المتبقِّية مع الهيدروكسيد لتكوين الماء.

يُمكن أن تَحدُث تفاعُلات الاستبدال الثنائية أيضًا عند تفاعُل بعض المحاليل الملحية معًا.

في حالة خلْط محلولين ملحيين معًا، وكانت جميع المواد الناتجة الممكنة قابلة للذوبان أيضًا، فلن يَحدُث أيُّ تفاعُل؛ لأن كلَّ ما يتبقَّى خليطٌ من المحلولين.

ولكنْ إذا كان هناك مزيج من الذرات الموجودة يَنتُج ملح غير قابل للذوبان؛ فهذا يعني حدوث تفاعُل ترسيب، وهو ما يُمكن اعتباره تفاعُل استبدال ثنائيًّا.

لنفكِّر في التفاعُل بين محلولَيْ كلوريد الصوديوم ونيترات الفضة. يحلُّ الصوديوم الأكثر نشاطًا محلَّ الفضة في محلول النيترات لتكوين نيترات الصوديوم. والمكوَّن الآخَر الناتج راسبٌ من كلوريد الفضة:

بصفةٍ عامَّةٍ، يُستبدَل فلزا الفضة والصوديوم لتكوين مركَّبين مختلفين.

مرَّة أخرى، يُمكننا توضيح هذه الفكرة باستخدام شكلٍ بسيطٍ يحتوي على مكعبات.

يتضمَّن المثال الأخير تفاعُل الاستبدال الثنائي تفاعُل حمض مع كربونات:

توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية التفاعُل بين كربونات الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك:

في هذا التفاعُل، يحلُّ الصوديوم محلَّ الهيدروجين في الحمض لتكوين كلوريد الصوديوم. وأيونات الهيدروجين التي استُبدِلت تكوِّن في النهاية جزيئات ماء. ويتكوَّن ثاني أكسيد الكربون من أيونات الكربونات في كربونات الصوديوم.

دعونا الآن نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.