🔄

Σύνθεση, Διάσπαση & Απλή Αντικατάσταση

Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις απλής μορφής και σειρά δραστικότητας

Γιατί ένα σιδερένιο καρφί «χαλκώνεται» μέσα σε μπλε διάλυμα;

Βύθισε ένα καρφί σε μπλε διάλυμα θειικού χαλκού: σε λίγα λεπτά καλύπτεται με ένα κοκκινωπό στρώμα χαλκού, ενώ το μπλε χρώμα σιγά-σιγά ξεθωριάζει. Ο σίδηρος «έδιωξε» τον χαλκό από την ένωσή του. Εδώ μαθαίνεις πότε ένα στοιχείο μπορεί να αντικαταστήσει ένα άλλο — τη σειρά δραστικότητας — και τις απλές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις.

Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις απλής μορφής

Στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις ο αριθμός οξείδωσης ορισμένων στοιχείων μεταβάλλεται. Εδώ μελετάμε τις απλές μορφές τους· τις πολύπλοκες θα τις συναντήσεις στη Γ΄ Λυκείου, όπου θα δεις και τους ορισμούς οξείδωσης και αναγωγής.

1. Αντιδράσεις σύνθεσης

Δύο ή περισσότερα στοιχεία αντιδρούν και σχηματίζουν μία χημική ένωση:

$N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)$
$H_2(g) + Cl_2(g) \rightarrow 2HCl(g)$
$2K(s) + Cl_2(g) \rightarrow 2KCl(s)$
$C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$

2. Αντιδράσεις αποσύνθεσης και διάσπασης

Μια χημική ένωση διασπάται:

στα στοιχεία της (αποσύνθεση): $2HgO(s) \rightarrow 2Hg(l) + O_2(g)$
σε δύο ή περισσότερες απλούστερες ουσίες (διάσπαση): $2KClO_3(s) \rightarrow 2KCl(s) + 3O_2(g)$ και $CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g)$

Προσοχή: η αποσύνθεση είναι πάντα οξειδοαναγωγική (από ένωση προκύπτουν στοιχεία με Α.Ο. $0$ ). Μια διάσπαση όμως δεν είναι πάντα οξειδοαναγωγική: στη $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$ ο $Ca$ μένει $+2$ , ο $C$ $+4$ και το $O$ $-2$ . Το σχολικό βιβλίο την κατατάσσει στις διασπάσεις — αν σου ζητηθεί χαρακτηρισμός με κριτήριο τον Α.Ο., έλεγξε πάντα τους αριθμούς οξείδωσης.

3. Αντιδράσεις απλής αντικατάστασης

Ένα ελεύθερο στοιχείο αντικαθιστά ένα άλλο στοιχείο που βρίσκεται σε ένωση:

μέταλλο $M$ αντικαθιστά μέταλλο $M'$ (ή το $H$ ): $M + M'X \rightarrow MX + M'$
αμέταλλο $A$ αντικαθιστά αμέταλλο $A'$ : $A + \Psi A' \rightarrow \Psi A + A'$

Προϋπόθεση: το $M$ πρέπει να είναι δραστικότερο από το $M'$ (και το $A$ από το $A'$ ) — δηλαδή να σχηματίζει ευκολότερα ένωση.

Σειρά δραστικότητας (διδάσκεται, δίνεται στις ασκήσεις — δεν απομνημονεύεται):

Μέταλλα: $K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au$
Αμέταλλα: $F_2, Cl_2, Br_2, O_2, I_2, S$

Όσο πιο αριστερά, τόσο πιο δραστικό. Ένα στοιχείο αντικαθιστά μόνο όσα βρίσκονται δεξιά του.

$M + M'X \rightarrow MX + M' \quad \text{(μόνο αν το } M \text{ είναι δραστικότερο του } M'\text{)}$

Κόλπο μνήμης

Στη σειρά δραστικότητας το H είναι το σύνορο. Ό,τι βρίσκεται αριστερά του «διώχνει» το υδρογόνο από τα οξέα. Δεξιά του μένουν τα «ευγενή» $Cu$ , $Hg$ , $Ag$ , $Pt$ , $Au$ — τα μέταλλα των κοσμημάτων και των νομισμάτων. Δεν είναι τυχαίο: φτιάχνουμε δαχτυλίδια από χρυσό, όχι από νάτριο.

Τύποι απλής αντικατάστασης

α) Μέταλλο + άλας → άλας + μέταλλο: $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$

β) Μέταλλο + οξύ → άλας + $H_2$ (μόνο μέταλλα δραστικότερα του $H$ ): $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2$ . Το μέταλλο εμφανίζεται με τον μικρότερο Α.Ο. του: $Fe + 2HBr \rightarrow FeBr_2 + H_2$ (όχι $FeBr_3$ ). Ο χαλκός, όταν αντιδρά (π.χ. με άλας αργύρου), δίνει ενώσεις του $Cu^{2+}$ . Τα πυκνά διαλύματα $H_2SO_4$ και τα διαλύματα $HNO_3$ δίνουν πολύπλοκες οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, όχι απλή αντικατάσταση.

γ) Μέταλλο + νερό → … + $H_2$ : τα πολύ δραστικά $K, Ba, Ca, Na$ δίνουν βάση και $H_2$ : $2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2$ . Τα υπόλοιπα μέταλλα που είναι δραστικότερα του $H$ αντιδρούν με υδρατμούς σε υψηλή θερμοκρασία και δίνουν οξείδιο και $H_2$ : $Mg + H_2O(g) \rightarrow MgO + H_2$ .

δ) Αμέταλλο + άλας ή οξύ: $Cl_2 + 2NaBr \rightarrow 2NaCl + Br_2$ .

Ήξερες ότι;

Το κάλιο και το νάτριο, στην αρχή της σειράς δραστικότητας, φυλάγονται βυθισμένα σε πετρέλαιο ή λάδι παραφίνης. Στον αέρα αντιδρούν με το οξυγόνο και την υγρασία, και στο νερό αντιδρούν τόσο βίαια που το υδρογόνο που ελευθερώνεται μπορεί να αναφλεγεί.

Γρήγορος έλεγχος

Πραγματοποιείται η αντίδραση $Cu + HCl$ ;

Μέθοδος: γίνεται ή όχι μια απλή αντικατάσταση;

Εντόπισε το ελεύθερο στοιχείο και ποιο στοιχείο της ένωσης θα μπορούσε να αντικαταστήσει (μέταλλο ↔ μέταλλο ή $H$ , αμέταλλο ↔ αμέταλλο).
Σύγκρινε στη σειρά δραστικότητας: αν το ελεύθερο είναι αριστερότερα, η αντίδραση γίνεται· αλλιώς όχι.
Γράψε τα προϊόντα με σωστούς Α.Ο.: μικρότερος Α.Ο. για μέταλλο με πολλούς ( $Fe^{2+}$ )· με νερό, βάση για $K, Ba, Ca, Na$ και οξείδιο για τα άλλα.
Ισοστάθμισε.

Άσκηση: Να γραφούν οι αντιδράσεις (όπου γίνονται): (α) $Al + CuSO_4$ , (β) $Fe + HBr$ , (γ) $Ag + HCl$ , (δ) $I_2 + NaF$ , (ε) $Ba + H_2O$ , (στ) $Zn + H_2O(g)$ .

Λύση:

(α) $2Al + 3CuSO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3Cu$ ( $Al$ δραστικότερο του $Cu$ · έλεγχος: $Al$ 2, $Cu$ 3, $SO_4$ 3 ✓)

(β) $Fe + 2HBr \rightarrow FeBr_2 + H_2$ (μικρότερος Α.Ο. του $Fe$ )

(γ) Δεν γίνεται: ο $Ag$ είναι δεξιά του $H$ .

(δ) Δεν γίνεται: το $I_2$ είναι λιγότερο δραστικό από το $F_2$ .

(ε) $Ba + 2H_2O \rightarrow Ba(OH)_2 + H_2$

(στ) $Zn + H_2O(g) \rightarrow ZnO + H_2$ (με υδρατμούς, σε υψηλή θερμοκρασία)

Άσκηση: Να συμπληρωθούν και να ισοσταθμιστούν: (α) $Al + HCl$ , (β) $Cu + AgNO_3$ , (γ) $Cl_2 + KI$ .

Λύση:

(α) $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2$ (έλεγχος: $H$ $6 = 6$ , $Cl$ $6 = 6$ ✓)

(β) $Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag$ (ο $Cu$ δίνει $Cu^{2+}$ · έλεγχος: $NO_3$ $2 = 2$ ✓)

(γ) $Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2$ (το $Cl_2$ είναι δραστικότερο του $I_2$ )

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Στο εργαστήριο διαθέτουμε διάλυμα $AgNO_3$ , ταινία $Mg$ και σύρμα $Cu$ .

Ζητούμενα: (α) Μπορούμε να πάρουμε μεταλλικό άργυρο με το $Mg$ ; Με τον $Cu$ ; (β) Ποιο από τα δύο μέταλλα αντιδρά με αραιό διάλυμα $HCl$ ; (γ) Να κατατάξετε κατά αύξουσα δραστικότητα τα $Ag$ , $Cu$ , $H$ , $Mg$ .

Λύση:

(α) Και τα δύο είναι δραστικότερα του $Ag$ , άρα και οι δύο αντιδράσεις γίνονται:

$Mg + 2AgNO_3 \rightarrow Mg(NO_3)_2 + 2Ag$

$Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag$

(β) Μόνο το $Mg$ (αριστερά του $H$ ): $Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2$ . Ο $Cu$ δεν αντιδρά.

(γ) $Ag < Cu < H < Mg$ .

Απάντηση: ναι και με τα δύο· μόνο το $Mg$ με το $HCl$ · $Ag < Cu < H < Mg$ .

Γρήγορος έλεγχος

Ποια από τις παρακάτω αντιδράσεις πραγματοποιείται;

Γρήγορος έλεγχος

Ποια είναι τα προϊόντα της αντίδρασης $Fe + HCl$ (αραιό διάλυμα);

Γρήγορος έλεγχος

Τι σχηματίζεται όταν το $Ca$ αντιδρά με νερό;

Πρόκληση

ο ντετέκτιβ των μετάλλων. Έχεις τρία μέταλλα $A$ , $B$ , $\Gamma$ και κάνεις τρία πειράματα:

Το $A$ σε αραιό $HCl$ ελευθερώνει αέριο· το $B$ δεν αντιδρά.
Σύρμα $B$ σε διάλυμα νιτρικού άλατος του $\Gamma$ καλύπτεται με μέταλλο $\Gamma$ .
Έλασμα $A$ σε διάλυμα νιτρικού άλατος του $B$ (όπου το $B$ έχει Α.Ο. $+2$ ) καλύπτεται με μέταλλο $B$ .

(α) Κατάταξε $A$ , $B$ , $\Gamma$ και $H$ κατά δραστικότητα. (β) Αν τα μέταλλα είναι $Zn$ , $Cu$ , $Ag$ (με το $Zn$ και τον $Cu$ να έχουν Α.Ο. $+2$ ), ποιο είναι ποιο; Γράψε τις τρεις αντιδράσεις.

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Από το 1: $A > H > B$ . Από το 2: $B > \Gamma$ . Άρα $A > H > B > \Gamma$ (το 3 επιβεβαιώνει ότι $A > B$ ).

(β) Από τη σειρά $Zn > H > Cu > Ag$ : $A = Zn$ , $B = Cu$ , $\Gamma = Ag$ .

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

$Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag$

$Zn + Cu(NO_3)_2 \rightarrow Zn(NO_3)_2 + Cu$

Απάντηση: (α) $A > H > B > \Gamma$ , (β) $A = Zn$ , $B = Cu$ , $\Gamma = Ag$ .

Συνηθισμένα λάθη

Αντίστροφη ανάγνωση της σειράς. Ένα μέταλλο αντικαθιστά μόνο όσα είναι δεξιά του (λιγότερο δραστικά).
$FeCl_3$ από $Fe + HCl$ . Στην απλή αντικατάσταση ο $Fe$ δίνει $Fe^{2+}$ .
$H$ αντί για $H_2$ . Το υδρογόνο που ελευθερώνεται γράφεται $H_2$ και ισοσταθμίζεται ανάλογα.
Οξείδιο αντί για βάση (ή το αντίθετο) με το νερό. $K, Ba, Ca, Na$ → βάση· τα υπόλοιπα (με υδρατμούς) → οξείδιο.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Οξειδοαναγωγικές απλής μορφής: σύνθεση (στοιχεία → ένωση), αποσύνθεση (ένωση → στοιχεία), διάσπαση (ένωση → απλούστερες ουσίες), απλή αντικατάσταση.
Απλή αντικατάσταση: γίνεται μόνο αν το ελεύθερο στοιχείο είναι δραστικότερο.
Μέταλλα: $K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au$ · αμέταλλα: $F_2, Cl_2, Br_2, O_2, I_2, S$ .
Μέταλλο + οξύ → άλας + $H_2$ (μικρότερος Α.Ο. του μετάλλου)· $K, Ba, Ca, Na$ + νερό → βάση + $H_2$ .
Άλλα μέταλλα δραστικότερα του $H$ + υδρατμοί → οξείδιο + $H_2$ .

Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις απλής μορφής

1. Αντιδράσεις σύνθεσης

Δύο ή περισσότερα στοιχεία αντιδρούν και σχηματίζουν μία χημική ένωση:

N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)

H_2(g) + Cl_2(g) \rightarrow 2HCl(g)

2K(s) + Cl_2(g) \rightarrow 2KCl(s)

C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)