فيديو الدرس: تفاعلات الاستبدال العلوم

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف تفاعلات الاستبدال الأحادي والمزدوج ونفسرها. سنقارن النشاط الكيميائي لعناصر مختلفة، ونستخدم سلسلة النشاط الكيميائي للتنبؤ بحدوث التفاعل الكيميائي.

تفاعل الاستبدال هو نوع من التفاعلات الكيميائية يحل فيه عنصر ما محل عنصر آخر وتتكون مواد جديدة. كلمة «الاستبدال» تعني تغيير الأماكن أو تبادلها. تفاعلات الاستبدال يطلق عليها أيضًا تفاعلات الإحلال. يوجد نوعان من تفاعلات الاستبدال، وهما تفاعلات الاستبدال الأحادي، التي يطلق عليها أحيانًا تفاعلات الاستبدال البسيط، وتفاعلات الاستبدال المزدوج.

في تفاعل الاستبدال الأحادي، يحل العنصر الأكثر نشاطًا محل العنصر الأقل نشاطًا في مركب ما. يوجد ناتجان في تفاعل الاستبدال الأحادي؛ أحدهما مركب والآخر العنصر الأقل نشاطًا. أما في تفاعل الاستبدال المزدوج، يتفاعل مركبان. العنصر الأكثر نشاطًا في أحد المركبين يحل محل العنصر الأقل نشاطًا في المركب الآخر. يكون ناتجا تفاعل الاستبدال المزدوج مركبين جديدين. وبطبيعة الحال، في تفاعل الاستبدال الأحادي، يحل العنصر الفلزي الأكثر نشاطًا محل العنصر الفلزي الأقل نشاطًا في مركب كيميائي.

تختلف العناصر من حيث نشاطها الكيميائي. سلسلة النشاط الكيميائي هي قائمة ترتب فيها العناصر بناء على نشاطها. كلما كان العنصر أعلى في القائمة، كان أكثر نشاطًا. على سبيل المثال، فلز الصوديوم أعلى في سلسلة النشاط الكيميائي من فلز الزنك. هذا يعني أن الصوديوم أكثر نشاطًا من الزنك. وهذا يعني أيضًا أن الصوديوم يمكن أن يحل محل الزنك في تفاعل الاستبدال.

عند ملاحظة التفاعلات في المعمل، سنرى إشارات توضح لنا العنصر الأكثر نشاطًا. إذا أجري تفاعلان متشابهان، فسيكون التفاعل مع الصوديوم أقوى بكثير من التفاعل مع الزنك. على الرغم من أن الهيدروجين عنصر لا فلزي، فإنه يمكن أن يستبدل وتحل محله فلزات أكثر نشاطًا في تفاعل الاستبدال الأحادي. الفلزات الموجودة في المجموعة الأولى من الجدول الدوري، التي تعرف أيضًا بالفلزات القلوية، تكون أكثر نشاطًا من الهيدروجين.

في سلسلة النشاط الكيميائي الموضحة، نجد أن البوتاسيوم والصوديوم من فلزات المجموعة الأولى. عندما يتفاعل فلز من المجموعة الأولى مع الماء، يحدث تفاعل استبدال أحادي. ويكون ناتجا التفاعل هما هيدروكسيد فلز المجموعة الأولى وغاز الهيدروجين. على سبيل المثال، عندما يتفاعل فلز الصوديوم مع الماء، يكون الناتجان هيدروكسيد الصوديوم وغاز الهيدروجين. دعونا نلق نظرة عن قرب على هذا التفاعل. عند وضع قطعة من فلز الصوديوم الصلب في وعاء مملوء بالماء، يحدث تفاعل قوي وعنيف للغاية. تنطلق فقاعات غاز الهيدروجين خلال المحلول وتتطاير، ويمكن أن تشتعل وتنتج لهبًا. يطلق التفاعل كمية كبيرة من الحرارة، والمحلول المتبقي في الوعاء هو محلول مائي من هيدروكسيد الصوديوم. في أثناء التفاعل، تحل ذرات فلز الصوديوم محل ذرات الهيدروجين في جزيئات الماء. بعد ذلك، ترتبط ذرات الهيدروجين هذه لتكون غاز الهيدروجين، الذي ينطلق إلى الخارج من محلول هيدروكسيد الصوديوم.

يمكن أن تتفاعل الفلزات أيضًا في تفاعلات استبدال أحادي مع الأحماض المعدنية المخففة، مثل حمض الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك. وعندما يتفاعل فلز أعلى في سلسلة النشاط من الهيدروجين مع الحمض، ينتج عن ذلك ملح وغاز الهيدروجين. الفلزات الأعلى في سلسلة النشاط، تحدث تفاعلات أقوى مع الحمض. أما الفلزات الأقل من الهيدروجين في سلسلة النشاط، فلن تتفاعل مع الحمض. على سبيل المثال، سيكون تفاعل المغنيسيوم مع حمض الهيدروكلوريك أقوى من تفاعل الحديد مع حمض الهيدروكلوريك. وهذا لأن فلز المغنيسيوم أعلى في سلسلة النشاط من فلز الحديد.

إذا أضفنا قطعة من فلز المغنيسيوم إلى أنبوب اختبار يحتوي على حمض الهيدروكلوريك، وأضفنا قطعة من الحديد إلى أنبوب اختبار آخر يحتوي على الحمض، فسنلاحظ أن فلز المغنيسيوم يتفاعل مع الحمض بسرعة شديدة، الأمر الذي ينتج فقاعات، ويطلق غاز الهيدروجين وحرارة. من ناحية أخرى، يتفاعل فلز الحديد مع الحمض تفاعلًا أبطأ. وينتج عن ذلك غاز الهيدروجين وحرارة أقل، ويتحول المحلول ببطء إلى اللون الأخضر.

في التفاعل مع المغنيسيوم، تحل ذرات المغنيسيوم محل ذرات الهيدروجين في جزيئات حمض الهيدروكلوريك، وينتج عن ذلك انطلاق غاز الهيدروجين ويتبقى محلول من ملح كلوريد المغنيسيوم. في التفاعل مع الحديد، تحل ذرات الحديد محل ذرات الهيدروجين في جزيئات حمض الهيدروكلوريك، وينتج عن ذلك انطلاق غاز الهيدروجين ويتبقى محلول من ملح كلوريد الحديد الثنائي.

ثمة نوع آخر من تفاعلات الاستبدال الأحادي وهو التفاعل بين فلز شديد النشاط وملح يحتوي على فلز أقل نشاطًا. ناتجا هذا التفاعل هما ملح جديد والفلز الأقل نشاطًا الذي استبدل. يمكننا استخدام سلسلة النشاط الكيميائي للتنبؤ بما إذا كان الفلز سيتفاعل مع محلول ملح معين.

لنفترض أننا أضفنا قطعة من الزنك إلى محلول ملح كبريتات النحاس الثنائي، الذي له لون أزرق. أثناء التفاعل، يحل الزنك محل النحاس في محلول الملح. ومع مرور الوقت، يتراكم نحاس صلب لونه بني مائل إلى البرتقالي في قاع الكأس الزجاجية. ومع استمرار إحلال الزنك محل النحاس في المحلول، يصبح المحلول عديم اللون. استطاع الزنك أن يتفاعل ويحل محل النحاس في المحلول؛ لأن الزنك أكثر نشاطًا وأعلى في سلسلة النشاط من النحاس. أما إذا وضعنا الزنك في محلول كبريتات المغنيسيوم، فلن يحدث أي تفاعل. وهذا؛ لأن الزنك أقل نشاطًا من المغنيسيوم. لكي يحدث تفاعل الاستبدال الأحادي بين فلز وملح، يجب أن يكون الفلز أكثر نشاطًا من الفلز الموجود في الملح.

والآن، سنناقش عددًا من تفاعلات الاستبدال المزدوج. في النمط العام لتفاعل الاستبدال المزدوج، يتفاعل مركبان لإنتاج مركبين جديدين. تفاعل التعادل هو مثال على تفاعل الاستبدال المزدوج. في تفاعل التعادل، المركبان اللذان يتفاعلان هما حمض وقلوي. والمركبان الناتجان هما ملح وماء. فعلى سبيل المثال، عندما يتفاعل حمض الهيدروكلوريك مع هيدروكسيد البوتاسيوم؛ وهو قلوي، يكون الناتجان محلول ملح كلوريد البوتاسيوم وماء.

عندما ننظر إلى سلسلة النشاط الكيميائي، نلاحظ أن البوتاسيوم أعلى من الهيدروجين، مما يعني أن البوتاسيوم أكثر نشاطًا من الهيدروجين. لذلك، يحل البوتاسيوم محل الهيدروجين في جزيئات حمض الهيدروكلوريك، مكونًا ملح كلوريد البوتاسيوم. وتتحد أيونات الهيدروجين المتبقية مع أيونات الهيدروكسيد في المحلول لتكوين جزيئات الماء.

ثمة مثال آخر على تفاعل الاستبدال المزدوج، وهو تفاعل الترسيب. في تفاعل الترسيب، يكون المتفاعلان محلولي ملح مختلفين. خلط محلولي ملح معًا لا ينتج عنه تفاعل دائمًا. لكن، إذا كان أحد تراكيب الأيونات في خليط محلولي الملح يكون ملحًا غير قابل للذوبان، فسيحدث تفاعل. يطلق على الملح غير القابل للذوبان الذي يتكون «الراسب». وعليه، يسمى التفاعل «تفاعل الترسيب».

أحد الأمثلة على تفاعل الترسيب هو التفاعل بين محلول كلوريد البوتاسيوم ومحلول نيترات الفضة. عندما ننظر إلى سلسلة النشاط الكيميائي، نلاحظ أن البوتاسيوم أكثر نشاطًا من الفضة. أثناء التفاعل، يحل البوتاسيوم الأكثر نشاطًا محل الفضة في المحلول. تتفاعل أيونات الفضة وتتحد مع أيونات الكلوريد لتكوين راسب كلوريد الفضة. كلوريد الفضة عبارة عن راسب أبيض، يجعل المحلول يبدو غائمًا أثناء تكوينه.

المثال الأخير على تفاعل الاستبدال المزدوج هو التفاعل بين مركب يسمى كربونات الفلز وحمض. على عكس تفاعلات الاستبدال المزدوج الأخرى التي تناولناها، ينتج هذا التفاعل ثلاثة نواتج؛ ملح، وغاز ثاني أكسيد الكربون، وماء. دعونا نلق نظرة على مثال محدد لمساعدتنا على فهم هذا النوع من التفاعلات.

عند تفاعل كربونات الصوديوم مع حمض الهيدروكلوريك، ينتج ملح كلوريد الصوديوم، وغاز ثاني أكسيد الكربون، وماء. دعونا نستخدم معادلة كيميائية موزونة لتساعدنا على فهم ما يحدث أثناء التفاعل. في سلسلة النشاط الكيميائي، يمكننا ملاحظة أن الصوديوم أنشط قليلًا من الهيدروجين. وبناء عليه، سيحل الصوديوم محل الهيدروجين في جزيئات حمض الهيدروكلوريك، مكونًا ملح كلوريد الصوديوم. وستتفاعل أيونات الهيدروجين التي استبدلت مع أيونات الكربونات لتكوين غاز ثاني أكسيد الكربون وماء. عند إجراء هذا التفاعل في المعمل، نعلم أن غاز ثاني أكسيد الكربون قد تكون عندما نرى فقاعات.

قبل أن نلخص ما تعلمناه عن تفاعلات الاستبدال، دعونا نلق نظرة على السؤال التالي.

يحدث تفاعل كيميائي عند وضع قطعة من فلز الصوديوم في حوض كبير من الماء البارد. أي العبارات الآتية تفسر سبب ذلك؟ (أ) الصوديوم أكثر نشاطًا من الهيدروجين. (ب) الصوديوم أقل نشاطًا من الهيدروجين. (ج) الصوديوم أكثر نشاطًا من الماء. (د) الصوديوم أقل نشاطًا من الماء.

في هذا السؤال، نعلم أن تفاعلًا كيميائيًّا يحدث عند وضع فلز الصوديوم في الماء البارد. فلز الصوديوم هو فلز موجود في المجموعة الأولى من الجدول الدوري. فلزات المجموعة الأولى هي فلزات نشطة للغاية. يوجد فلزا الصوديوم والبوتاسيوم، اللذان ينتميان للمجموعة الأولى، في قمة سلسلة النشاط الكيميائي. الفلزات التي توجد في أعلى السلسلة هي الأكثر نشاطًا، أما الفلزات الموجودة في أسفل السلسلة هي الأقل نشاطًا.

يمكن أن تحل فلزات المجموعة الأولى محل الهيدروجين في تفاعلات الاستبدال لأنها أكثر نشاطًا من الهيدروجين. في تفاعل الاستبدال الأحادي، يحل العنصر الفلزي الأكثر نشاطًا محل العنصر الفلزي الأقل نشاطًا في المركب كيميائي. ومن الممكن أيضًا أن يحل الفلز النشط محل الهيدروجين في مركب، ما دام الهيدروجين أقل نشاطًا.

في هذا السؤال، نعلم أن المتفاعلين في تفاعل الاستبدال الأحادي هما الصوديوم، أي فلز المجموعة الأولى، والماء. ناتجًا هذا النوع من تفاعل الاستبدال الأحادي هما هيدروكسيد فلز المجموعة الأولى وغاز الهيدروجين. دعونا نكتب معادلة كلامية لتمثيل التفاعل بين الصوديوم والماء. يمكننا كتابة الصوديوم زائد الماء قبل سهم التفاعل وهيدروكسيد الصوديوم زائد غاز الهيدروجين لتمثيل الناتجين. والآن، لنكتب معادلة كيميائية للتفاعل. الصيغتان الكيميائيتان للمتفاعلين هما ‪Na‬‏، متبوعة برمز الحالة «‪s‬‏» للصوديوم الصلب، و‪H2O‬‏، متبوعة برمز الحالة «‪l‬‏» للماء السائل. هيدروكسيد الصوديوم الناتج يكون محلولًا. الصيغة الكيميائية هي ‪NaOH‬‏ متبوعة بـ «‪aq‬‏» لتمثيل محلول مائي. والصيغة الكيميائية لغاز الهيدروجين هي ‪H2‬‏ متبوعة برمز الحالة «‪g‬‏».

والآن بعد أن توصلنا إلى هذه المعادلة الأساسية غير الموزونة، لنلق نظرة فاحصة على ما يحدث في هذا التفاعل. نحن نعلم من سلسلة النشاط الكيميائي أن الصوديوم أكثر نشاطًا من الهيدروجين. أثناء التفاعل، تحل ذرات الصوديوم الأكثر نشاطًا محل ذرات الهيدروجين الأقل نشاطًا في جزيئات الماء. ذرات الهيدروجين التي استبدلت تتحد لتكون غاز الهيدروجين. لقد أكدنا على أن تفاعل الاستبدال الأحادي يحدث لأن الصوديوم عنصر أكثر نشاطًا من الهيدروجين. إذن، العبارة التي تفسر سبب تفاعل فلز الصوديوم مع الماء هي الخيار (أ). الصوديوم أكثر نشاطًا من الهيدروجين.

والآن، لنلخص ما تعلمناه في هذا الفيديو عن تفاعلات الاستبدال. ثمة نوعان من تفاعلات الاستبدال، وهما الاستبدال الأحادي أو البسيط والاستبدال المزدوج. توضح سلسلة النشاط الكيميائي العناصر مرتبة وفقًا لنشاطها ويمكن استخدامها للتنبؤ بإمكانية حدوث التفاعل ومدى قوته. في تفاعل الاستبدال الأحادي، يحل الفلز الأكثر نشاطًا محل الفلز الأقل نشاطًا في المركب الكيميائي. يمكن أيضًا أن يحل الفلز النشط محل الهيدروجين في مركب، ما دام الهيدروجين أقل نشاطًا من الفلز.

تتضمن الأمثلة على تفاعلات الاستبدال الأحادي التفاعل بين فلز من المجموعة الأولى والماء، وهو ما ينتج عنه هيدروكسيد فلز المجموعة الأولى وغاز الهيدروجين؛ والتفاعل بين فلز وحمض، وهو ما ينتج عنه ملح وغاز الهيدروجين؛ والتفاعل بين فلز ومحلول ملح. في هذا النوع من التفاعلات، يحل الفلز الأكثر نشاطًا محل الفلز الأقل نشاطًا في محلول. يكون الفلز الأقل نشاطًا راسبًا صلبًا. وأخيرًا، تفاعلات التعادل والترسيب وتفاعلات كربونات الفلزات المعدنية مع الأحماض، جميعها أمثلة على تفاعلات الاستبدال المزدوج.