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Vidéo de la leçon : Réactions de substitution Sciences

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment décrire et expliquer les réactions de substitution simple et double.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire et à expliquer les réactions de simple et de double substitution. Nous allons comparer l’activité chimique de différents éléments et utiliser la série de réactivité chimique pour prédire si une réaction est susceptible de se produire.

Une réaction de substitution est un type de réaction chimique dans laquelle un élément remplace un autre élément pour former une nouvelle substance. Le mot substitution signifie « échange de places ». Les réactions de substitution sont également appelées réactions de déplacement ou de remplacement. Il existe deux types de réactions de substitution : les réactions de substitution simples, et les réactions de double substitution.

Dans une réaction de substitution simple, un élément plus réactif remplace un élément moins actif dans une molécule. Il y a deux produits dans la réaction de substitution unique : l’un est un composé et l’autre est l’élément le moins actif. Dans une réaction de double substitution, deux composés réagissent. Un élément plus actif de l’un des composés remplace un élément moins actif de l’autre composé. Une réaction de double substitution fournit donc deux nouveaux composés. Par définition, dans une réaction de substitution simple, un élément métallique plus actif remplace un élément métallique moins actif d’un composé chimique.

Les éléments n’ont pas tous la même activité chimique. La série d’activité chimique, ou série de réactivité, est une liste qui classe les éléments en fonction de leur activité. Plus un élément est haut dans la liste, plus il est actif. Par exemple, le sodium métallique est plus haut dans la série de réactivité que le zinc métallique. Cela traduit le fait que le sodium est un métal plus actif que le zinc. Cela signifie également que le sodium peut remplacer le zinc lors une réaction de substitution.

L’observation de réactions réalisées en laboratoire permet de déterminer quel élément est plus actif. Si on effectuait deux réactions similaires, celle utilisant le sodium serait beaucoup plus vive que celle avec le zinc. Même si l’hydrogène est un élément non métallique, il peut être remplacé par des métaux plus actifs lors d’une réaction de substitution simple. Les métaux du groupe un du tableau périodique, également appelés métaux alcalins, sont plus actifs que l’hydrogène.

Dans la série de réactivité présentée ici, le potassium et le sodium sont des métaux du groupe un. Lorsqu’un métal du groupe un réagit avec l’eau, c’est une réaction de substitution simple qui se produit. Et les produits de la réaction sont un hydroxyde du groupe un et un hydrogène gazeux. Par exemple, lorsque le sodium métal réagit avec l’eau, les produits sont de l’hydroxyde de sodium et de l’hydrogène gazeux. Regardons de plus près cette réaction. Lorsqu’on place un morceau de sodium métal solide dans un récipient d’eau, une réaction très vive et violente se produit. De l’hydrogène gazeux bulle à travers la solution, est libéré et peut s’enflammer. La réaction dégage une grande quantité de chaleur et la solution restant dans le récipient est une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium. Au cours de la réaction, les atomes de sodium métal remplacent les atomes d’hydrogène dans les molécules d’eau. Ces atomes d’hydrogène se lient ensuite entre eux pour former de l’hydrogène gazeux, qui s’échappe de la solution d’hydroxyde de sodium.

Les métaux peuvent également subir des réactions de substitution simples avec des acides minéraux dilués, tels que l’acide sulfurique ou l’acide chlorhydrique. Lorsqu’un métal plus haut que l’hydrogène dans la série de réactivité réagit avec l’acide, un sel et de l’hydrogène gazeux se forment. Ce sont les métaux les plus hauts dans la série auront les réactions les plus vives avec l’acide. Et les métaux plus bas que l’hydrogène dans la série de réactivité ne réagiront pas avec l’acide. Par exemple, la réaction du magnésium avec de l’acide chlorhydrique sera plus vive que pour le fer. En effet, le magnésium métal est plus haut dans la série de réactivité que le fer métal.

Si on ajoute un morceau de magnésium métallique dans un tube à essai contenant de l’acide chlorhydrique, et un morceau de fer dans un autre tube à essai contenant également l’acide, le magnésium métallique réagit très rapidement avec l’acide, produisant des bulles d’hydrogène gazeux et la chaleur. En revanche, le fer métallique réagit plus lentement. La réaction produit toujours de l’hydrogène gazeux mais un peu moins de chaleur est libérée. On remarque que la solution change lentement de couleur pour devenir verte.

Dans la réaction avec le magnésium, les atomes de magnésium remplacent les atomes d’hydrogène dans les molécules d’acide chlorhydrique, libérant de l’hydrogène gazeux et produisant une solution de sel de chlorure de magnésium. Dans la réaction avec le fer, les atomes de fer remplacent les atomes d’hydrogène dans les molécules d’acide chlorhydrique, libérant de l’hydrogène gazeux et produisant une solution de sel de chlorure de fer(II).

Un autre type de réaction de substitution simple est la réaction entre un métal très actif et un sel contenant un métal moins actif. Les produits de cette réaction sont un nouveau sel et le métal le moins actif remplacé lors de la substitution. La série de réactivité permet de prédire si un métal va réagir avec une solution saline donnée.

Disons que nous avons ajouté un morceau de zinc à une solution de sel de sulfate de cuivre(II), de couleur bleue. Au cours de la réaction, le zinc remplace le cuivre dans la solution saline. Et au fil du temps, du cuivre brun orangé solide s’accumule au fond du bécher. Au fur et à mesure que le zinc remplace le cuivre dans la solution, la solution devient incolore. Le zinc a pu réagir et remplacer le cuivre dans la solution car le zinc est plus élevé dans la série d’activité que le cuivre et donc plus actif. Par contre, si on plaçait le zinc dans une solution de sulfate de magnésium, aucune réaction ne se produirait. En effet, le zinc est moins actif que le magnésium. Pour qu’une réaction de substitution simple entre un métal et un sel puisse avoir lieu, le métal qui réagit doit être plus actif que le métal du sel.

Nous allons maintenant examiner plusieurs réactions de double substitution. Lors d’une réaction de double substitution, deux composés réagissent pour former deux nouveaux composés. Une réaction de neutralisation est un exemple de réaction de double substitution. Dans une réaction de neutralisation, les deux composés qui réagissent sont un acide et un alcali. Et les deux produits sont un sel et de l’eau. Par exemple, lorsque l’acide chlorhydrique réagit avec l’hydroxyde de potassium, qui est un alcali, les produits sont une solution de sel de chlorure de potassium et de l’eau.

Lorsqu’on regarde la série de réactivité, le potassium est placé plus haut que l’hydrogène, ce qui signifie qu’il est plus actif que l’hydrogène. Par conséquent, le potassium prendra la place de l’hydrogène dans les molécules d’acide chlorhydrique, formant le sel de chlorure de potassium. Les ions hydrogène restants se combineront avec les ions hydroxyde présent en solution pour former des molécules d’eau.

Un autre exemple de réaction de double substitution est une réaction de précipitation. Dans une réaction de précipitation, les deux réactifs sont deux solutions salines distinctes. Le mélange de deux solutions salines ne provoque pas toujours de réaction. Cependant, si l’une des combinaisons d’ions dans le mélange de solutions salines forme un sel insoluble, une réaction a lieu. Le sel insoluble formé s’appelle un précipité. La réaction est donc appelée réaction de précipitation.

Un exemple de réaction de précipitation est la réaction entre une solution de chlorure de potassium et une solution de nitrate d’argent. Lorsqu’on examine la série de réactivité, on remarque que le potassium est beaucoup plus actif que l’argent. Au cours de la réaction, le potassium plus actif remplace l’argent dans la solution. Les ions argent réagissent alors et se combinent avec les ions chlorure pour former un précipité de chlorure d’argent. Le chlorure d’argent est un précipité blanc qui rend la solution trouble lors de sa formation.

Le dernier exemple de réaction de double substitution est la réaction entre un composé appelé carbonate de métal et un acide. Contrairement aux doubles substitutions vues précédemment, trois produits se forment au cours de cette réaction : un sel, du gaz carbonique et de l’eau. L’exemple suivant va nous aider à comprendre ce type de réaction.

Lorsque le carbonate de sodium réagit avec l’acide chlorhydrique, du sel de chlorure de sodium, du gaz carbonique et de l’eau sont produits. Utilisons une équation chimique équilibrée pour nous aider à comprendre le déroulement de la réaction. On voit sur la série de réactivité que le sodium est un peu plus actif que l’hydrogène. Par conséquent, le sodium remplacera l’hydrogène dans les molécules d’acide chlorhydrique, formant un sel de chlorure de sodium. Les ions hydrogène substitués vont réagir avec l’ion carbonate pour former du gaz carbonique et de l’eau. La formation de bulles observée lorsqu’on réalise cette expérience en laboratoire indique que du dioxyde de carbone est produit.

Avant de résumer ce que nous avons appris sur les réactions de substitution, penchons-nous sur une question.

Lorsqu’un morceau de sodium métallique est placé dans un grand récipient d’eau froide, une réaction chimique se produit. Laquelle des affirmations suivantes explique-t-elle le mieux pourquoi ? (A) Le sodium est plus actif que l’hydrogène. (B) Le sodium est moins actif que l’hydrogène. (C) Le sodium est plus actif que l’eau. (D) Le sodium est moins actif que l’eau.

Dans cette question, on nous dit qu’une réaction chimique se produit lorsque le sodium métallique est placé dans de l’eau froide. Le sodium métallique est un métal qui se trouve dans le groupe un du tableau périodique. Les métaux du groupe un sont des métaux très actifs. Le sodium et le potassium métal, tous deux des métaux du groupe un, apparaissent en tête de liste des réactivités. Les métaux en haut de la série sont les plus actifs, tandis que ceux qui sont en bas sont les moins actifs.

Les métaux du groupe un peuvent remplacer l’hydrogène dans les réactions de substitution car ils sont plus actifs que l’hydrogène. Dans une réaction de substitution simple, un élément métallique plus actif remplacera un élément métallique moins actif dans un composé chimique. Il est également possible pour un métal actif de remplacer l’hydrogène dans un composé tant que l’hydrogène est moins actif.

Dans cette question, on sait que les réactifs de la réaction de substitution simple sont le sodium, le métal du groupe un et l’eau. Les produits de ce type de réaction de substitution simple sont un hydroxyde du groupe un et l’hydrogène gazeux. Écrivons une expression qui traduit la réaction entre le sodium et l’eau. On peut écrire : sodium plus eau avant la flèche de réaction et hydroxyde de sodium plus hydrogène gazeux pour représenter les produits. Maintenant, écrivons l’équation chimique associée. Les formules chimiques des réactifs sont : Na suivie du symbole d’état « s » pour le sodium solide et H2O suivie du symbole d’état « l » pour l’eau liquide. Le produit hydroxyde de sodium est en solution. Sa formule chimique est NaOH suivie de « aq » pour décrire une solution aqueuse. Et la formule chimique de l’hydrogène gazeux est H2 suivie du symbole d’état « g ».

Maintenant que nous avons cette équation de base non équilibrée, voyons ce qui se passe lors de la réaction. On sait grâce à la série de réactivité que le sodium est plus actif que l’hydrogène. Au cours de la réaction, les atomes de sodium plus actifs remplacent les atomes d’hydrogène moins actifs dans les molécules d’eau. Et les atomes d’hydrogène remplacés se combinent entre eux pour former de l’hydrogène gazeux. Nous avons confirmé qu’une réaction de substitution simple se produit car le sodium est un élément plus actif que l’hydrogène. L’affirmation qui explique le mieux pourquoi le sodium métallique réagit avec l’eau est la réponse (A). Le sodium est plus actif que l’hydrogène.

Maintenant, résumons ce que nous avons appris dans cette vidéo sur les réactions de substitution. Il existe deux types de réactions de substitution : la substitution simple ou et la double substitution. La série d’activités chimiques ou série de réactivité classe les éléments en fonction de leur réactivité et peut être utilisée pour prédire si une réaction se produira ou à quel point elle sera vive. Dans une réaction de substitution simple, un métal plus actif remplace un métal moins actif dans un composé chimique. Un métal actif peut également remplacer l’hydrogène dans un composé tant que l’hydrogène est moins actif que le métal.

La réaction entre un métal du groupe un et l’eau, qui produit un hydroxyde du groupe un et un gaz hydrogène ; la réaction entre un métal et un acide, qui produit un sel et un hydrogène gazeux ; et la réaction entre un métal et une solution saline sont des exemples de réactions de substitution simple. Dans le dernier exemple, un métal plus actif remplace un métal moins actif dans une solution. Et le métal le moins actif forme un précipité solide. Enfin, la neutralisation, la précipitation et les réactions des carbonates métalliques avec des acides sont tous des types de réactions de double substitution.

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