Einleitende Chemie

Lernziele

  1. Erkennen Sie chemische Reaktionen als Einzelersatzreaktionen und Doppelersatzreaktionen.
  2. Verwenden Sie das Periodensystem, eine Aktivitätsreihe oder Löslichkeitsregeln, um vorherzusagen, ob Einzelersatzreaktionen oder Doppelersatzreaktionen auftreten.,

Bisher haben wir chemische Reaktionen als Thema vorgestellt, aber nicht darüber diskutiert, wie die Produkte einer chemischen Reaktion vorhergesagt werden können. Hier beginnen wir mit der Untersuchung bestimmter Arten chemischer Reaktionen, mit denen wir vorhersagen können, wie die Reaktionsprodukte aussehen werden.

Eine Einzelersatzreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der ein Element durch ein anderes Element in einer Verbindung ersetzt wird, wodurch ein neues Element und eine neue Verbindung als Produkte erzeugt werden., Zum Beispiel,

2 HCl(aq) + Zn(s) → ZnCl2(aq) + H2(g)

ein Beispiel für eine single-Austausch-Reaktion. Die Wasserstoffatome in HCl werden durch Zn-Atome ersetzt, und dabei wird ein neues Element—Wasserstoff—gebildet. Ein weiteres Beispiel für eine einzelne Ersatz-Reaktion ist

2 NaCl(aq) + F2(g) → 2 NaF(s) + Cl2(g)

Hier werden die negativ geladenen Ionen änderungen, die vom Chlorid zum Fluorid. Ein typisches Merkmal einer Einzelersatzreaktion ist, dass ein Element als Reaktant und ein anderes Element als Produkt vorhanden ist.,

Nicht alle vorgeschlagenen Einzelersatzreaktionen treten zwischen zwei gegebenen Reaktanten auf. Dies lässt sich am einfachsten mit Fluor, Chlor, Brom und Jod nachweisen. Zusammengenommen werden diese Elemente als Halogene bezeichnet und befinden sich in der vorletzten Spalte des Periodensystems (siehe Abbildung 4.1 „Halogene im Periodensystem“). Die Elemente oben in der Spalte ersetzen die Elemente darunter im Periodensystem, aber nicht umgekehrt., Somit tritt die Reaktion auf, die durch

CaI2(s) + Cl2(g) → CaCl2(s) + I2(s)

dargestellt wird, aber die Reaktion

CaF2(s) + Br2(ℓ) → CaBr2(s) + F2(g)

nicht, weil Brom im Periodensystem unter Fluor liegt. Dies ist nur eine von vielen Möglichkeiten, wie das Periodensystem uns hilft, die Chemie zu verstehen.

Abbildung 4.1 Halogene im Periodensystem

Die Halogene sind die Elemente in der vorletzten Spalte im Periodensystem.

Beispiel 2

Tritt eine Einzelersatzreaktion auf? Wenn ja, identifizieren Sie die Produkte.,

  1. MgCl2 + I2 → ?
  2. CaBr2 + F2 → ?

Lösung

  1. Da Jod im Periodensystem unter Chlor liegt, tritt keine Einzelersatzreaktion auf.
  2. Da Fluor über Brom im Periodensystem liegt, tritt eine Einzelersatzreaktion auf, und die Reaktionsprodukte sind CaF2 und Br2.

Testen Sie sich selbst

Wird eine Einzelersatzreaktion auftreten? Wenn ja, identifizieren Sie die Produkte.

FeI2 + Cl2 → ?,

Antwort

Ja; FeCl2 und I2

Chemische Reaktivitätstrends sind beim Ersetzen von Anionen in einfachen ionischen Verbindungen leicht vorherzusagen-verwenden Sie einfach ihre relativen Positionen im Periodensystem. Beim Ersetzen der Kationen sind die Trends jedoch nicht so einfach. Dies liegt zum Teil daran, dass es so viele Elemente gibt, die Kationen bilden können; Ein Element in einer Spalte im Periodensystem kann ein anderes Element in der Nähe ersetzen oder nicht., Eine Liste namens Aktivitätsreihe macht dasselbe wie das Periodensystem für Halogene: Sie listet die Elemente auf, die Elemente darunter in Einzelersatzreaktionen ersetzen. Eine einfache Aktivitätsreihe ist unten dargestellt.,

Activity Series for Cation Replacement in Single-Replacement Reactions

  • Li
  • K
  • Ba
  • Sr
  • Ca
  • Na
  • Mg
  • Al
  • Mn
  • Zn
  • Cr
  • Fe
  • li> Ni
  • Sn
  • Pb
  • H2
  • Cu
  • Hg
  • Ag
  • Pd
  • Pt
  • Au

Die Verwendung der Aktivitätsreihe ähnelt der Verwendung der Positionen der Halogene im Periodensystem. Ein Element oben ersetzt ein Element darunter in Verbindungen, die einer Einzelersatzreaktion unterzogen werden., Elemente ersetzen Elemente über ihnen nicht in Verbindungen.

Beispiel 3

Verwenden Sie die Aktivitätsreihe, um die Produkte, falls vorhanden, jeder Gleichung vorherzusagen.

  1. FeCl2 + Zn → ?
  2. HNO3 + Au → ?

Lösung

  1. Da Zink in der Aktivitätsreihe über Eisen liegt, ersetzt es Eisen in der Verbindung. Die Produkte dieser Einzelersatzreaktion sind ZnCl2 und Fe.
  2. Gold liegt in der Aktivitätsreihe unter Wasserstoff. Als solches wird Wasserstoff in einer Verbindung nicht durch das Nitrationion ersetzt. Es wird keine Reaktion vorhergesagt.,

Testen Sie sich selbst

Verwenden Sie die Aktivitätsreihe, um die Produkte, falls vorhanden, dieser Gleichung vorherzusagen.

AlPO4 + Mg → ?

Al

Mg3(PO4)2 und Al

Eine Doppelersatzreaktion tritt auf, wenn Teile von zwei ionischen Verbindungen ausgetauscht werden, wodurch zwei neue Verbindungen hergestellt werden. Ein Merkmal einer Doppelersatzgleichung ist, dass es zwei Verbindungen als Reaktanten und zwei verschiedene Verbindungen als Produkte gibt., Ein Beispiel ist

CuCl2(aq) + 2 AgNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + 2 AgCl (s)

Es gibt zwei äquivalente Möglichkeiten, eine Doppelersatzgleichung zu betrachten: Entweder werden die Kationen vertauscht oder die Anionen werden vertauscht. (Sie können nicht beide tauschen; Sie würden mit den gleichen Substanzen enden, mit denen Sie begonnen haben.) Jede Perspektive sollte es Ihnen ermöglichen, die richtigen Produkte vorherzusagen, solange Sie ein Kation mit einem Anion und kein Kation mit einem Kation oder ein Anion mit einem Anion koppeln.

Beispiel 4

Prognostizieren Sie die Produkte dieser Doppelersatzgleichung: BaCl2 + Na2SO4 → ?,

Lösung

Wenn wir über die Reaktion nachdenken, indem wir entweder die Kationen wechseln oder die Anionen wechseln, würden wir erwarten, dass die Produkte BaSO4 und NaCl sind.

Testen Sie sich selbst

Prognostizieren Sie die Produkte dieser Doppelersatzgleichung: KBr + AgNO3 → ?

Antwort

KNO3 und AgBr

die Vorhersage, ob ein Doppel-Ersatz Reaktion Auftritt, ist etwas schwieriger als die Vorhersage einer single-Austausch-Reaktion. Es gibt jedoch eine Art von Doppelersatzreaktion, die wir vorhersagen können: die Niederschlagsreaktion., Eine Fällungsreaktion tritt auf, wenn zwei ionische Verbindungen in Wasser gelöst werden und eine neue ionische Verbindung bilden, die sich nicht löst; Diese neue Verbindung fällt als fester Niederschlag aus der Lösung. Die Bildung eines festen Niederschlags ist die treibende Kraft, die die Reaktion vorantreibt.

Um zu beurteilen, ob Doppelersatzreaktionen auftreten, müssen wir wissen, welche Arten von ionischen Verbindungen Niederschläge bilden. Dazu verwenden wir Löslichkeitsregeln, die allgemeine Aussagen sind, die vorhersagen, welche ionischen Verbindungen sich auflösen (löslich sind) und welche nicht (nicht löslich oder unlöslich sind). Tabelle 4.,1″ Einige nützliche Löslichkeitsregeln “ listet einige allgemeine Löslichkeitsregeln auf. Wir müssen jede ionische Verbindung (sowohl die Reaktanten als auch die möglichen Produkte) im Lichte der Löslichkeitsregeln in Tabelle 4.1 „Einige nützliche Löslichkeitsregeln“betrachten. Wenn eine Verbindung löslich ist, verwenden wir das Etikett (aq), das anzeigt, dass sie sich auflöst. Wenn eine Verbindung nicht löslich ist, verwenden wir das (s) Etikett und gehen davon aus, dass sie aus der Lösung ausfällt. Wenn alles löslich ist, wird keine Reaktion erwartet.

Betrachten Sie beispielsweise die mögliche Doppelersatzreaktion zwischen Na2SO4 und SrCl2., Die Löslichkeitsregeln besagen, dass alle ionischen Natriumverbindungen löslich sind und alle ionischen Chloridverbindungen löslich sind, mit Ausnahme von Ag+, Hg22+ und Pb2+, die hier nicht berücksichtigt werden. Daher sind Na2SO4 und SrCl2 beide löslich. Die möglichen Doppelersatzreaktionsprodukte sind NaCl und SrSO4. Sind diese löslich? NaCl ist (nach der gleichen Regel, die wir gerade zitiert haben), aber was ist mit SrSO4? Verbindungen des Sulfations sind im Allgemeinen löslich, aber Sr2+ ist eine Ausnahme: Wir erwarten, dass es unlöslich ist—ein Niederschlag., Daher erwarten wir eine Reaktion, und die ausgewogene chemische Gleichung wäre

Na2SO4(aq) + SrCl2(aq) → 2 NaCl(aq) + SrSO4 (s)

Sie würden erwarten, dass eine visuelle Änderung auftritt, die SrSO4 entspricht, das aus der Lösung ausfällt (Abbildung 4.2 „Doppelersatzreaktionen“).

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