Αντίδραση απλής αντικατάστασης

Οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης είναι κατηγορία οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων στις οποίες ένα χημικό στοιχείο (Α) αντικαθιστά ένα άλλο (Β) σε μιά χημική ένωση.
Οι αντιδράσεις αυτές είναι της γενικής μορφής : Α + ΒΣ → ΑΣ + Β.
Αυτό συμβαίνει διότι το Α είναι πιo δραστικό στοιχείο από το Β. Τα στοιχεία Α και Β μπορεί να είναι και τα δύο μέταλλα ή και τα δύο αμέταλλα. Το στοιχείο Σ δε συμμετέχει στο φαινόμενο (στοιχείο-παρατηρητής) και μπορεί να έχει αρνητικό αριθμό οξείδωσης (αν το Β έχει θετικό) ή θετικό αριθμό οξείδωσης (αν το Β έχει αρνητικό).
Το στοιχείο Α στα αντιδρώντα έχει αριθμό οξείδωσης 0 και στην ένωση ΑΣ έχει διάφορο του 0. Παρομοίως το Β έχει διάφορο του 0 στην ΒΣ και 0 στα προϊόντα. Άρα το Α οξειδώνεται και το Β ανάγεται. Επομένως οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης είναι οξειδοαναγωγικές.

Καθίζηση αργύρου σε χαλκό από διάλυμα νιτρικού αργύρου.

Απλή αντικατάσταση μεταξύ αμετάλλων

Στις αντιδράσεις αυτές ένα αμέταλλο (Α) αντικαθιστά :

• Τα επόμενά του (Β) στη σειρά οξειδωτικής ισχύος αμετάλλων, εφόσον το (Β) έχει αρνητικό αριθμό οξείδωσης στην ένωση (ΘΒ) : Α + ΘΒ → ΘΑ + Β π.χ. Cl₂⁰ + 2KI^-1 → 2KCl^-1 + I₂⁰.
• Τα προηγούμενά του (Β) στη σειρά οξειδωτικής ισχύος αμετάλλων, εφόσον το (Β) έχει θετικό αριθμό οξείδωσης στην ένωση (ΒΘ) : Α + ΒΘ → ΑΘ + Β π.χ. I₂⁰ + 2KCl⁺⁵O₃ → 2KI⁺⁵O₃ + Cl₂⁰

Η σειρά οξειδωτικής ισχύος των αμετάλλων είναι :

F2  O3  Cl2  Br2  O2  I2  S  P  As  N2  B  C  Si

Η σειρά αυτή είναι γνωστή και ως σειρά οξειδωτικής ισχύος των αμετάλλων : Όσο αριστερότερα είναι ένα αμέταλλο, τόσο οξειδωτικότερο είναι.

Δράσεις των αλογόνων

• Το καθένα αντικαθιστά τα επόμενά του, στις ενώσεις στις οποίες περιέχονται με αρνητικό αριθμό οξείδωσης. Παραδείγματα :

F₂ + 2KBr → 2KF + Br₂

X₂ + H₂S → 2HX + S (X = F,Cl,Br,I)

3X₂ + 8NH₃ → N₂ + 6NH₄X^[1]

2F₂ + SiO₂ → SiF₄ + O₂

Cl₂ + H₂O₂ → 2HCl + O₂

Br₂ + KF → αδύνατη.

• Το καθένα αντικαθίσταται από τα επόμενά του, στις ενώσεις στις οποίες περιέχονται με θετικό αριθμό οξείδωσης. Τέτοιες ενώσεις είναι συνήθως άλατα όπως KXO₃, NaXO κ.ά. Παραδείγματα :

Br₂ + NaClO₃ → NaBrO₃ + Cl₂

I₂ + KBrO → 2KIO + Br₂

KBrO + F₂ → αδύνατη

Δράσεις του οξυγόνου

Το οξυγόνο οξειδώνει πολλές κατηγορίες ενώσεων.

• Παρόλο που είναι μετά το χλώριο και το βρώμιο, εν τούτοις μπορεί σε μερικές περιπτώσεις να τα αντικαταστήσει. Φυσικά αντικαθιστά τα αμέταλλα μετά απ' αυτό στη σειρά :

O₂ + 2HX → 2H₂Ο + 2X₂ (X = Cl, Br, I)

O₂ + H₂S → 2H₂Ο + 2S

O₂ + 2CaI₂ → 2CaO + 2I₂

3O₂ + 4MX₃ → 2M₂O₃ + 6X₂ (M = Al, Fe και Χ = Br, Cl)

• Αντικαθιστά το Ν στην αμμωνία (καύση της αμμωνίας) :

2NH₃ + 3/2 O₂ → 3H₂Ο + N₂^[2]

• Το καθαρό ή το ατμοσφαιρικό Ο₂ αντικαθιστά τον άνθρακα στις οργανικές ενώσεις και τον μετατρέπει σε CO₂ (καύση οργανικών ενώσεων)^[3] :

CH₄ + O₂ → CO₂ + 2H₂O

• Αντικαθιστά το θείο από πολλά ορυκτά όπως σιδηροπυρίτη (FeS₂), σφαλερίτη (ZnS), γαληνίτη (PbS) κ.ά. Το θείο μετατρέπεται σε SO₂ και όχι σε ελεύθερο S :

2FeS₂ + 11/2 O₂ → Fe₂O₃ + 4SO₂

ZnS + 3/2 O₂ → ZnO + SO₂

Δράσεις του άνθρακα

Ο άνθρακας στις αντιδράσεις απλής αντικατάστασης, αντικαθιστά μέταλλα μάλλον παρά αμέταλλα.

• Αντικαθιστά το Si στο SiO₂ δίνοντας SiC αν είναι σε περίσσεια :

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

SiO₂ + 3C → SiC + 2CO

• Αντικαθιστά τον Ρ, το Ν, το As στα οξείδια τους (παρόλο που είναι μετά απ' αυτά στη σειρά) επειδή έχουν θετικούς αριθμούς οξείδωσης. Ο P έχει αο. = +5 ή +3 στα οξείδιά του, το Ν έχει α.ο. = +2 στο ΝΟ και το As έχει α.ο. = +3 στο As₂O₃ :

10C + 2P₂O₅ → P₄ + 10CO

6C + 2P₂O₃ → P₄ + 6CO

C + 2NO → N₂ + CO₂

3C + As₂O₃ → 2As + 3CO

Απλή αντικατάσταση μεταξύ μετάλλων

Στις αντιδράσεις αυτές ένα μέταλλο (M) αντικαθιστά τα επόμενά του (Μ') στην ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων : Μ + Μ'Α → ΜΑ + Μ' όπου Α = ανιόν μονοατομικό (π.χ Cl^-) ή και πολυατομικό (π.χ SO₄^2-) π.χ. Fe + HgS → FeS + Hg, Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.
Η ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων είναι :

Li  K  Ba  Ca  Na  Mg  Al  Mn  Zn  Cr  Fe  Co  Ni  Sn  Pb  H2 Bi  Cu[4] Hg[5]  Ag  Hg  Pt  Au

Κάθε μέταλλο αντικαθιστά στις ενώσεις τους τα μέταλλα που βρίσκονται μετά από αυτό στη σειρά επειδή είναι ισχυρότερο αναγωγικό. Γι'αυτό η σειρά είναι γνωστή και ως σειρά αναγωγικής ισχύος των μετάλλων : Όσο αριστερότερα βρίσκεται ένα μέταλλο, τόσο αναγωγικότερο είναι.

Δράσεις των διαφόρων μετάλλων

Εαν το μέταλλο που αντικαθιστά (δηλ. το Μ στο γενικό σχήμα Μ + Μ'Α → ΜΑ + Μ') έχει πολλούς αριθμούς οξείδωσης (όπως π.χ. ο σίδηρος, Fe), τότε στο άλας ΜΑ θα έχει το μικρότερο απ' αυτούς. Εξαίρεση αποτελεί ο χαλκός (Cu) που έχει δύο αριθμούς οξείδωσης +1 και +2 αλλά στη παραπάνω σειρά προηγείται ο Cu²⁺ (βλέπε σημείωση) :

3Fe + 2AuCl₃ → 3FeCl₂ + 2Au

Cu + 2AgNO₂ → Cu(NO₂)₂ + Ag

3Fe + Bi₂S₃ → 3FeS + 2Bi

2K[Ag(CN)2] +

Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr^[6]

3Mn₃O₄ + 8Al → 4Al₂O₃ + 9Mn^[6]

Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe^[6]

Fe + CaCl₂ → αδύνατη

Cu + ZnSO₄ → αδύνατη

Δράσεις του υδρογόνου

Αντικατάσταση υδρογόνου από μέταλλο

Τα μέταλλα αριστερά του Η₂ στη σειρά μπορούν να το αντικαταστήσουν σε διάφορες ενώσεις του.

• Μ + οξύ → άλας + Η₂ όπου Μ = μέταλλο αριστερά του υδρογόνου στη σειρά εκτός του μολύβδου (Pb) και οξύ = κάθε οξύ εκτός από το νιτρικό (ΗΝΟ₃) και το πυκνό θειικό (H₂SO₄)

Ba + 2HCl → BaCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ (αραιό) → FeSO₄ + H₂

Ag + HCl → αδύνατη

Au + Η₂SO₄ (αραιό) → αδύνατη^[7]

• Μ + νερό → υδροξείδιο ή οξείδιο + Η₂ όπου Μ = μέταλλο κυρίως K, Ca, Ba, Na αλλά και άλλα μέταλλα αριστερά του Η₂ στη σειρά που αντιδρούν όμως σε υψηλή θερμοκρασία με το νερό δίνοντας κυρίως το αντίστοιχο οξείδιο.

Na + H₂Ο → NaOH + 1/2 H₂

Ba + 2H₂Ο → Ba(OH)₂ + H₂

Mg + H₂Ο → MgO + H₂

3Fe + 4H₂Ο → Fe₃O₄ + 4H₂ (στους 530°C)

2Al + 3H₂Ο → Al₂O₃ + 3H₂

Cu + H₂Ο → αδύνατη

• Al,Zn,Sn,Pb + ισχυρή βάση → άλας + Η₂ όπου ισχυρή βάση = ΚΟΗ, ΝaOΗ.

Zn + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂

Pb + 2KOH → K₂PbO₂ + H₂

Αντικατάσταση μετάλλου από υδρογόνο

Το υδρογόνο μπορεί να αντικαταστήσει μέταλλα στα οξείδια τους ή στα άλατα τους. Τα μέταλλα αυτά είναι δεξιότερα του υδρογόνου στην ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων. Εξαίρεση αποτελεί ο Fe στο Fe₂O₃ :

CuO + H₂ → Cu + H₂O

AgCl + 1/2 H₂ → HCl + Ag

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

Απλή αντικατάσταση αμετάλλου από μέταλλο

Ορισμένα ισχυρά αναγωγικά μέταλλα όπως τα αλκάλια (Li, Κ, Na, Rb, Cs) αλλά και το μαγνήσιο (Mg) και το αργίλιο (Αl), μπορούν να αντικαταστήσουν κάποια αμέταλλα από ενώσεις στις οποίες αυτά έχουν θετικό αριθμό οξείδωσης :

SO₂ + 2Mg → 2MgO + S^[8]

CO₂ + Mg → 2MgO + C

SiF₄ + 4K → Si + 4KF

B₂O₃ + 3Mg → 2B + 3MgO