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Fiche explicative de la leçon : Réactions de substitution Sciences

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire et expliquer les réactions de substitution simple et double.

Une réaction de substitution est un type de réaction chimique également appelé réaction de déplacement. Il existe deux types différents de réactions de substitution, les réactions de substitution simple et les réactions de double substitution.

Le mot substitution signifie « échanger », et c’est une façon de voir une réaction de substitution.

Afin de bien comprendre ce qui se passe dans ces types de réactions chimiques, nous devons d’abord regarder les séries de réactivité (ou activité chimique).

La série de réactivité est représentée dans le schéma ci-dessous. La série indique quels éléments sont plus réactifs que les autres. Les éléments près du haut de la série sont décrits comme étant plus réactifs que les éléments plus en bas.

Les éléments hautement réactifs tels que le sodium et le potassium ont généralement des réactions plus vigoureuses que les éléments moins réactifs tels que l’argent et l’or.

Exemple 1: Nommer une liste d’éléments de différentes réactivités

Quel est le nom donné à la liste des éléments ci-dessous lorsque l’on discute de la réactivité de différents éléments?

  1. Les métaux du tableau périodique
  2. La série de neutralisation des métaux
  3. La série des réactions de substitution
  4. La série des réactions chimiques
  5. La série de réactivité

Réponse

Si nous regardons la liste, nous voyons qu’elle contient les éléments les plus réactifs tels que le potassium et le sodium en haut. Nous constatons également qu’elle contient des éléments moins réactifs tels que l’argent et l’or en bas.

Il y a de fortes chances que cette liste ait un rapport avec la réactivité.

Bien que les réactions de substitution dépendent de la réactivité de différents produits chimiques, la liste n’inclut pas d’exemples de réactions de neutralisation, de réactions chimiques ou de substitutions, et nous pouvons donc éliminer les réponses B, C et D.

Les éléments de la liste sont tous des métaux, mais la liste ne montre pas tous les métaux du tableau périodique. De plus, la liste contient l’hydrogène, qui est un élément non métallique. Nous pouvons donc éliminer la réponse A.

L’énoncé de la réponse E fait référence à la série de réactivité. L’activité chimique se rapporte aux différentes réactivités des éléments. Nous avons déjà remarqué que la liste contient les éléments les plus réactifs en haut et les éléments les moins réactifs en bas.

Sur cette base, nous pouvons conclure que la réponse E, la série de réactivité, est la bonne réponse.

Dans une réaction de substitution, un métal plus réactif remplace un métal moins réactif dans un autre composé.

Définition : Réaction de substitution

Des réactions de substitution se produisent lorsqu’un métal réactif remplace un métal moins réactif dans un composé chimique.

On peut représenter cette idée d’une réaction de substitution en utilisant un schéma simple contenant des cubes.

Imaginez que le cube vert représente un métal très réactif, le cube bleu un métal moins réactif, et le cube rouge un anion négatif tel que l’ion chlorure. Une réaction de substitution se produit lorsque le métal le plus réactif, le cube vert, remplace le métal le moins réactif, le cube bleu, dans un composé.

Exemple 2: Identifier l’énoncé qui décrit le mieux une réaction de substitution

Lequel des énoncés suivants décrit le mieux une réaction de substitution?

  1. Un métal plus réactif remplace l’hydrogène dans un autre composé.
  2. Un métal plus réactif remplace un autre métal moins réactif dans un autre composé.
  3. Un métal moins réactif forme un composé avec un autre métal plus réactif d’un autre composé.
  4. Un métal moins réactif remplace un autre métal plus réactif dans un autre composé.
  5. Un métal plus réactif forme un composé avec un autre métal moins réactif d’un autre composé.

Réponse

Les réactions de substitution sont étroitement liées à la série de réactivité (d’activité chimique). Les éléments en haut de la série sont plus réactifs que les éléments en bas.

Bien que la réponse A soit correcte dans une certaine mesure, ce n’est pas toujours l’hydrogène qui est remplacé, donc la réponse A est incorrecte.

La réponse B indique qu’un métal plus réactif remplace un métal moins réactif dans un autre composé. Ceci est proche de ce qu’on considère comme une définition d’une réaction de substitution, donc c’est peut-être la bonne réponse.

Les réponses C et E décrivent des réactions dans lesquelles un métal moins réactif forme un composé avec un métal plus réactif. Cependant, dans les réactions de substitution, ce sont normalement les métaux qui sont échangés, donc les réponses C et E sont incorrectes.

La réponse D est le contraire de la réponse B. La réponse D doit être incorrecte car les métaux hautement réactifs remplacent les métaux moins réactifs dans les réactions de substitution. On peut utiliser ce raisonnement pour éliminer la réponse D.

Par conséquent, la réponse B est la bonne réponse.

Les métaux du groupe 1 sont beaucoup plus réactifs que l’hydrogène. Un métal plus réactif est capable de remplacer l’hydrogène dans l’eau ou dans les acides.

La réaction suivante montre comment les métaux du groupe 1 peuvent remplacer l’hydrogène dans l’eau:métaldugroupeeauhydroxydedugroupehydrogènegazeux1+1+

Les deux équations suivantes montrent comment un métal du groupe 1 représentatif (le sodium) remplace l’hydrogène dans l’eau:sodium+eauhydroxydedesodium+hydrogène2Na+2HO2NaOH+H22

Exemple 3: Expliquer la raison de la réaction du sodium métallique avec l’eau

Lorsqu’on place un morceau de sodium métallique dans un grand bac d’eau froide, une réaction chimique se produit. Laquelle des affirmations suivantes explique le mieux pourquoi c’est le cas?

  1. Le sodium est plus réactif que l’hydrogène.
  2. Le sodium est moins réactif que l’hydrogène.
  3. Le sodium est plus réactif que l’eau.
  4. Le sodium est moins réactif que l’eau.

Réponse

Lorsqu’un métal du groupe 1 réagit avec l’eau, une réaction de substitution a lieu.

Tous les métaux du groupe 1 sont plus réactifs que l’hydrogène.

Lorsqu’un métal du groupe 1 tel que le sodium réagit avec l’eau, le sodium qui est plus réactif prend la place de l’hydrogène, moins réactif, dans la molécule d’eau.

La substitution se produit parce que le sodium est plus réactif que l’hydrogène. Plus précisément, cela fait référence à l’hydrogène dans les molécules d’eau, et non la molécule d’eau entière, comme l’indiquent les réponses C et D.

Par conséquent, la bonne réponse à cette question est la réponse A:le sodium est plus réactif que l’hydrogène.

Si on regarde de plus près le schéma ci-dessous, on peut voir comment les atomes se sont réarrangés pendant cette réaction chimique.

Les atomes de sodium plus réactifs ont remplacé les atomes d’hydrogène moins réactifs dans les molécules d’eau:

Cette réaction est fréquemment mise en évidence dans les laboratoires scolaires par les enseignants. Lors de la démonstration, seuls de très petits morceaux de sodium sont utilisés. Dans le dessin ci-dessous, un plus gros morceau de sodium a réagi violemment avec l’eau dans un grand bécher, fissurant ce dernier.

Ce type de réaction de substitution simple peut également être observé avec les métaux lorsqu’ils réagissent avec des acides minéraux dilués.

L’équation chimique ci-dessous montre la réaction entre le zinc et l’acide chlorhydrique dilué.

Lors de la réaction, le zinc métallique remplace les atomes d’hydrogène de deux molécules d’acide chlorhydrique. Le résultat est la formation d’un sel (le chlorure de zinc) et d’hydrogène gazeux:métal+acidesel+hydrogènezinc+acidechlorhydriquechloruredezinc+hydrogèneZn+2HClZnCl+Hacidechlorhydrique22

Exemple 4: Décrire l’équation correcte de la réaction entre le zinc et l’acide chlorhydrique

Laquelle des équations suivantes montre la réaction entre le zinc métallique et l’acide chlorhydrique?

  1. Zn()+2HCl()ZnCl()+H()saqaqg22
  2. Zn()+HCl()ZnH()+Cl()saqaqg
  3. Zn()+HCl()ZnCl()+12H()saqaqg2
  4. Zn()+2HCl()ZnH()+Cl()saqaqg22
  5. Zn()+2HCl()ZnHCl()+HCl()saqaqg

Réponse

Une réaction de substitution se produit lorsqu’un métal hautement réactif est ajouté à un acide dilué. La réaction entre le métal et l’acide produit un sel et de l’hydrogène gazeux. Les deux seules réponses qui contiennent de l’hydrogène gazeux comme produit sont les réponses A et C.

Le zinc a deux électrons de valence et il forme généralement des ions 2+. Le chlore a sept électrons de valence et il forme généralement des ions 1. Ces deux affirmations peuvent être utilisées pour déterminer que le chlorure de zinc a la formule chimique ZnCl2.

Seule la réponse A contient la formule chimique ZnCl2. Ceci montre que la réponse A doit être la bonne réponse à cette question.

Si l’on considère les séries de réactivité, on peut voir que des éléments tels que le magnésium, le zinc et l’aluminium sont plus réactifs que l’hydrogène. Des métaux comme l’aluminium et le zinc peuvent remplacer les atomes d’hydrogène dans l’acide chlorhydrique.

Cependant, aucune réaction ne se produit lorsque des métaux tels que le cuivre, l’argent ou l’or sont ajoutés à l’acide chlorhydrique, car ces métaux sont moins réactifs que l’hydrogène.

Le dernier exemple de réaction de substitution simple implique la substitution d’un métal en solution saline par un autre métal plus réactif.

Considérons la réaction du zinc métallique avec une solution de sulfate de cuivre (II).

Le zinc est plus réactif que le cuivre et déplace donc le cuivre d’une solution de sulfate de cuivre (II). Dans cette réaction, la solution bleue de sulfate de cuivre (II) perd sa couleur à mesure de la formation de sulfate de zinc, et la concentration de sulfate de cuivre (II) diminue.

Le zinc métallique est progressivement intégré dans la solution, et du cuivre métallique brun solide se dépose au fond du bécher.

L’équation chimique de cette réaction de substitution est zinc+sulfatedecuivre(II)sulfatedezinc+cuivreZn+CuSOZnSO+Cu44

Un autre exemple de ce type de réaction, c’est celle du magnésium métallique remplaçant le plomb dans une solution de nitrate de plomb (II):magnésium+nitratedeplomb(II)nitratedemagnésium+plombMg+Pb(NO)Mg(NO)+Pb3232

Le nitrate de magnésium, comme d’autres solutions courantes de magnésium telles que le sulfate de magnésium et le chlorure de magnésium, est une solution incolore.

Les réactions de double substitution forment une autre catégorie des réactions de substitution.

Une réaction de neutralisation est une réaction entre un acide et un alcali produisant de l’eau et un sel:acidealcaliseleau++

Les équations suivantes montrent un exemple de réaction de neutralisation. L’équation montre comment l’acide chlorhydrique réagit avec l’hydroxyde de sodium pour produire l’eau et le chlorure de sodium:acidechlorhydrique+hydroxydedesodiumchloruredesodium+eauHCl+NaOHNaCl+HO2

On peut également considérer cette réaction comme une substitution. Le sodium est plus réactif que l’hydrogène et peut donc le remplacer.

Si on regarde de près l’équation ci-dessus, on peut voir que le sodium a remplacé l’hydrogène dans l’acide dilué, formant le chlorure de sodium. L’atome d’hydrogène restant se combine alors avec l’hydroxyde pour former de l’eau.

Des réactions de double substitution peuvent également se produire lorsque certaines solutions salines réagissent ensemble.

Si deux solutions salines sont mélangées ensemble et que tous les produits possibles sont également solubles, alors aucune réaction n’aura lieu car tout ce que vous aurez est un mélange des deux solutions.

Cependant, si une combinaison des atomes présents crée un sel insoluble, alors une réaction de précipitation se produit, qui peut être considérée comme une réaction de double substitution.

Considérez la réaction entre les solutions de chlorure de sodium et de nitrate d’argent. Le sodium plus réactif remplace l’argent dans la solution de nitrate pour former du nitrate de sodium. L’autre produit formé est un précipité de chlorure d’argent:chloruredesodium+nitratedargentnitratedesodium+chloruredargentNaCl+AgNONaNO+AgCl33

Globalement, les métaux argent et sodium se sont substitués pour former deux composés différents.

Ici aussi, on peut illustrer cette idée en utilisant un schéma simple avec des cubes.

Notre dernier exemple de réaction de double substitution implique la réaction d’un acide avec un carbonate:carbonatemétalliqueacideseldioxydedecarboneeau+++

L’équation chimique ci-dessous montre la réaction entre le carbonate de sodium et l’acide chlorhydrique:carbonatedesodium+acidechlorhydriquechloruredesodium+dioxydedecarbone+eauNaCO+2HCl2NaCl+CO+HO2322

Dans cette réaction, le sodium remplace l’hydrogène dans l’acide pour former du chlorure de sodium. Les ions hydrogène qui ont été remplacés forment alors des molécules d’eau. Le dioxyde de carbone est produit à partir des ions carbonate du carbonate de sodium.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Des réactions de substitution simple et double se produisent lorsqu’un métal plus réactif remplace un métal moins réactif dans un composé.
  • Les séries de réactivité peuvent être utilisées pour déterminer quels éléments sont plus réactifs que d’autres.
  • Les métaux plus réactifs tels que le sodium remplacent des éléments moins réactifs tels que l’hydrogène de l’eau.
  • Des réactions de substitution simple se produisent entre des métaux hautement réactifs et des acides minéraux dilués.
  • Des réactions de substitution simple se produisent entre des métaux hautement réactifs et des sels des métaux moins réactifs.
  • Les réactions de neutralisation-précipitation et la réaction entre un acide et un carbonate peuvent être qualifiées de réactions de substitution double.

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