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置换反应

置换反应是单质与化合物反应生成另外的单质和化合物的化学反应,是化学中四大基本反应类型之一,包括金属与金属盐的反应,金属与酸的反应等。它是一种单质与一种化合物作用,生成另一种单质与另一种化合物的反应。

氧化还原反应不一定为置换反应,置换反应一定为氧化还原反应。

置换反应可表示为A+BC=B+AC 或 AB+C=AC+B,通常认为置换反应都是氧化还原反应,但是一些特殊的反应,例如金属羰基化合物间的置换,则不是氧化还原反应。

除此之外,也可以指路易斯酸间的置换反应,此时并不需要单质参与反应。(出处:高等教育出版社的《无机化学》(第四版)下册第460页正文第3行:“……能将另一个较弱的路易斯酸MnF4从稳定配离子[MnF6] 2-的盐中置换出来” [1]

1、放热的反应

(1)金属和酸发生的置换反应

(2)金属和盐发生的置换反应

(3)铝和金属氧化物发生的置换反应

(4)活泼金属和水的置换反应

2、吸热的反应

(1)不太活泼的金属和水蒸气发生的置换反应

(2)碳、氢气还原金属氧化物的反应

(3)碳和水蒸气的置换反应

根据反应环境的类别,置换反应有以下2种情况:

(1)固态置换在加热或高温条件下固体与固体或固体与气体发生的置换反应。

(2)液态置换在水溶液中进行的置换反应。

1、金属跟酸的置换:金属原子与酸溶液中氢离子(H+之间的反应

特别注意:(1)不能用浓硫酸,硝酸等有强氧化性的酸,它们反应时,先将金属氧化成对应氧化物,氧化物再溶于酸中,然后继续氧化、溶解,反应得以继续。(2)金属在活动性顺序表中需位于氢(H)之前

镁和酸反应【Mg+2H+====Mg2++H2↑】

铝和酸反应【2Al+6H+====2Al3++3H2↑】

锌和酸反应【Zn+2H+====Zn2++H2↑】

铁和酸反应【Fe+2H+====Fe2++H2↑】(一般情况下,铁与酸反应生成二价铁)

2、金属跟盐溶液的置换:金属原子跟盐溶液中较不活泼金属的阳离子发生置换

特别注意:置换需满足金属活动性顺序表先后次序

锌置换亚铁【Zn+Fe2+====Zn2++Fe】

铁置换铜【Fe+Cu2+====Fe2++Cu】

铜置换汞【Cu+Hg2+====Cu2++Hg】

分类标准:按元素的性质划分,金属与非金属单质间的置换

1、金属单质置换金属单质

铝热反应【2yAl+3MxOy==高温==yAlO+3xM(M为金属元素)】(引自铝热反应词条)

铝置换铁【(氧化铁)2Al+Fe2O3==高温==2Fe+Al2O3】【(四氧化三铁)8Al+3Fe3O4==高温==4Al2O3+9Fe】

Al还可与V2O5,CrO3,WO3,MnO2等发生置换,详见铝热反应词条

满足金属活动性顺序表的金属置换

如:铁置换铜【Fe+Cu2+====Fe2++Cu】(图文不匹配)


  


  


  

2、金属单质置换非金属单质

锌和盐酸反应【Zn+2HCl====ZnCl2+H2↑】

钠和水反应【2Na+2H2O====2NaOH+H2↑】

镁在二氧化碳中燃烧【2Mg+CO2==点燃==2MgO+C】

红热的铁和水蒸气反应【3Fe+4H2O(g)==高温==Fe3O4+4H2】(H2不标气体符号)

钠在二氧化碳中燃烧【4Na+3CO2====2Na2CO3+C】

3、非金属单质置换金属单质

碳还原氧化铜【C+2CuO==高温==2Cu+CO2↑】

4、非金属单质置换非金属单质

氟气溶于水【2F2+2H2O====4HF+O2】(O2不标气体符号)

碳还原二氧化硅【2C+SiO2==高温==Si+2CO↑】

碳和水蒸气反应【C+H2O==高温==CO+H2】(不标气体符号)

氢气还原四氯化硅【2H2+SiCl4==高温==Si+4HCl】(HCl不标气体符号)

氯气置换溴【Cl2+2NaBr====Br2+2NaCl】

溴置换碘【Br2+2HI====2HBr+I2

氧气和硫化氢反应【O2+2H2S====2S↓+2H2O】

按元素在周期表的位置划分,同族元素单质间的置换与不同族元素单质间的置换。

1、同主族元素单质间的置换

钠置换钾【Na+KCl==高温==NaCl+K↑】(一般是774℃)

钠置换氢【2Na+2H2O====2NaOH+H2↑】

氧置换硫【O2+2H2S====2S↓+2H2O】

碳置换硅【2C+SiO2==高温==Si+2CO↑】

氟置换氯【F2+2HCl====2HF+Cl2】(Cl2不标气体符号)

2、不同主族元素单质间的置换

镁置换氢【Mg+2H+====Mg2++H2↑】

铝置换氢【2Al+6H+====2Al3++3H2↑】

镁置换碳【2Mg+CO2==点燃==2MgO+C】

碳置换氢【C+H2O(g)==高温==CO+H2】(不标气体符号)

氢置换硅【2H2+SiCl4==高温==Si+4HCl】(HCl不标气体符号)

氯置换硫【H2S+Cl2====S↓+2HCl】

氯置换氮【8NH3+3Cl2====6NH4Cl+N2

氧置换氮【4NH3+3O2==点燃==2N2+6H2O】(氨气在纯氧中燃烧)

3、主族元素单质置换副族元素的单质

铝置换铁【2Al+Fe2O3==高温==2Fe+Al2O3】(铝热)

碳置换铜【C+CuO==△==Cu+CO↑】

钠置换钛【4Na+TiCl4==高温==4NaCl+Ti】

4、副族元素的单质置换主族元素单质

铁置换氢【3Fe+4H2O(g)==高温==Fe3O4+4H2】(H2不标气体符号)

5、副族元素的单质置换副族元素的单质

铁置换铜【Fe+Cu2+====Fe2++Cu】

按物质类别划分,单质与氧化物间的置换和单质与非氧化物间的置换。

1、单质与氧化物发生置换反应

(1)与H2O反应:生成物之一为H2

【2Na+2H2O====2NaOH+H2↑】

【3Fe+4H2O(g)==高温==Fe3O4+4H2】(H2不标气体符号)

【2F2+2H2O====4HF+O2】(O2不标气体符号)

【C+H2O(g)==高温==CO+H2】(不标气体符号)

(2)与CO2反应:生成物之一为C

【2Mg+CO2==点燃==2MgO+C】

【4Na+3CO2====2Na2CO3+C】

(3)与FeO反应:生成物之一为Fe

【C+FeO==高温==Fe+CO↑】

【Si+FeO==高温==2Fe+SiO2

此类反应较多,在此不一一列举

2、单质与非氧化物发生置换反应

(1)和NH3反应:生成物之一为N2

【8NH3+3Cl2====6NH4Cl+N2

【4NH3+3O2==点燃==2N2+6H2O】

(2)其它

氢置换硅【2H2+SiCl4==高温==Si+4HCl】(HCl不标气体符号)

氯置换硫【H2S+Cl2====S↓+2HCl】

各类金属置换酸中的H+(满足金属活动性顺序表)

此类反应较多,在此不一一列举

Li、Cs、 Rb、 K、Ra、Ba、Fr、Sr、 Ca、 Na 、 La、 Pr 、Nd 、Pm、Sm 、Eu、Ac

锂、铯、 铷、 钾、镭、钡、钫、锶、 钙、 钠、 镧、 镨、钕、 钷、钐、铕、 锕、

Gd 、Tb 、Am 、Y 、Mg 、Dy、Tm 、Yb、 Lu 、 Ce、 Ho、 Er 、 Sc、 Pu 、Th 、Be 、Np

钆、铽、镅、钇、镁、镝、铥、镱、镥、 铈、钬、铒、钪、钚、钍、铍、镎、

U、 Hf 、Al 、Ti 、Zr 、V 、Mn、 Nb、 Zn、 Cr 、Ga 、Fe 、Cd 、In 、Tl 、Co

铀、铪、铝、钛、锆、钒、锰、铌、锌、铬、镓、铁、镉、铟、铊、钴、

Ni、 Mo、 Sn 、Pb 、(D2)、 (H2)、 Cu、 Po、 Hg 、Ag、 Pd 、Pt 、Au

镍、钼、锡、铅、(氘分子)、(氢分子)、铜、钋、汞、银、钯、铂、金

金属活动性顺序简表(K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au)中,10号氢是过渡元素,它前面的可以置换出氢(有例外,见注解),它后面的则不可以。也就是说:氢前面的可以和酸反应生成氢气,而氢后面的基本不和酸反应,就算反应也不生成氢气

1、金属单质 + 酸 → 盐 + 氢气

镁和酸反应【Mg+2H+====Mg2++H2↑】

铝和酸反应【2Al+6H+====2Al3++3H2↑】

锌和酸反应【Zn+2H+====Zn2++H2↑】

铁和酸反应【Fe+2H+====Fe2++H2↑】

注:

(1)前三项的反应现象为:有气泡产生

(2)第四项(Fe)的反应现象:有气泡产生,溶液由无色变成浅绿色

(3)浓盐酸在加热时也能与铜(不太活泼的金属)反应,因为Cl和Cu形成了较稳定的配离子[CuCl4],使平衡向右移动:【2Cu+8HCl(浓)====2H3[CuCl4]+H2↑】 [2]

2、金属单质 + 盐(溶液)→另一种金属 + 另一种盐

铁与硫酸铜反应【Fe+CuSO4====Cu+FeSO4

现象:铁条表面覆盖一层红色的物质,溶液由蓝色变成浅绿色。

锌片放入硫酸铜溶液中【Zn+CuSO4====ZnSO4+Cu】

现象:锌片表面覆盖一层红色的物质,溶液由蓝色变成无色。

铜片放入硝酸银溶液中【Cu+2AgNO3====Cu(NO3)2+2Ag】

现象:铜片表面覆盖一层银白色的物质,溶液由无色变成蓝色。

3、金属氧化物+ C或H2→ 金属 + CO2或H2O

焦炭还原氧化铁【3C+2Fe2O3==高温==4Fe+3CO2↑】

现象:红色粉末变成黑色,澄清石灰水变浑浊。

木炭还原氧化铜【C+2CuO==△==2Cu+CO2↑】

现象:黑色粉末变成红色,产生的气体可以使澄清石灰水变浑浊。

氢气还原氧化铜【H2+CuO==高温==Cu+H2O】

现象:黑色粉末变成红色,试管内壁有水珠生成

氢气与氧化铁反应【3H2+Fe2O3==高温==2Fe+3H2O】

水蒸气通过灼热碳层【C+H2O(g)==高温==CO+H2】(水煤气的制法,不标气体符号)


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