Реакція заміщення в хімії — як визначити, ознаки, приклади

Перерозподіл електронів і ядер, при якому утворюється нова речовина, називається хімічною реакцією. Це фізико-хімічна взаємодія, що приводить до утворення нової сполуки.

Якщо атоми простого реагенту займають місця хімічних елементів в складному, то цей процес називають реакцією заміщення. При цьому може утворюватися не одна, а відразу дві речовини.

Загальні відомості

Всі речовини прийнято розділяти на два види. Хімічні тіла, утворені атомами одного хімічного реагенту, називають простими. Наприклад, залізо, до складу якого входять молекули, утворені атомами Fe.

Тіла, що складаються з атомів різних елементів, відносять до складного виду — наприклад, сірчана кислота. Складається H₂SO₄ з молекул, що утворюються атомами водню, сірки і кисню.

В процесі хімічних взаємодій нові речовини виходять тільки з тих атомів, які були у вихідному стані.

Для того щоб зрозуміти, за якими ознаками відбувається класифікація хімічних реакцій, слід розглянути кілька рівнянь.

Мідь, взаємодіючи з киснем, утворює оксид міді два: 2CU + O₂ → 2CuO. При змішуванні сульфату міді і гідроксиду натрію утворюється синій гідроксид міді і сульфат натрію: CuSO₄ + 2NaOH → Cu (OH)₂ + Na₂SO₄.

Оксид гідраргіуму розпадається на двовалентний кисень і ртуть: 2HgO → 2HG + O₂. Кальцій, з’єднуючись з вуглекислим газом, утворює карбонат: CaO +CO₂ → CaCO₃. Цинк при змішуванні з сірчаною кислотою витісняється нею: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂, гідроксид заліза розпадається на тривалентне залізо і воду: 2Fe(OH) → Fe₂O₃ + 3H₂O.

Таким чином, різні реакції можна об’єднати в групи за кількістю, складом і якістю вихідних речовин і продуктів.

Всього їх існує чотири види:

• З’єднання. Умовно записують як А + Б = АБ або АБ + ВГ = АБВГ. Під таким типом розуміють взаємодію, при якій з ряду простих або складних реагентів утворюється один.
• Заміщення. У цій реакції відбувається взаємодія двох речовин – простої та складної. В результаті частини першої речовини витісняють один з елементів складної. Умовно цей тип записується як А + БВ → АВ + б.
• Обмін. Це взаємодія, що відбувається між двома складними реагентами, які віддають один одному свої складові частини. В результаті з’являються два нових елементи. Схема запису такої реакції виглядає як АБ + ВГ → АГ + ВБ.
• Розкладання. Реакція, при якій з одного вихідного елемента утворюється кілька менш складних або простих речовин. Хімічна схема взаємодії виглядає як АБВГ → АБ + ВГ або АБ → А + Б.

Вперше висловив припущення про класифікацію реакцій Менделєєв.

Судити про їх проходження можна по:

• зміні кольору;
• випадання осаду;
• виділення газу;
• утворенню світіння.

Механізми взаємодії

Перебіг реакцій заміщення в органічній хімії описують механізмами. Під ними розуміють процес детального вивчення всіх стадій і проміжних речовин, а також природи взаємодії реагентів між собою. Ними описують характер розриву зв’язків і зміну енергії при переході з початкового стану в кінцевий.

Механізми заміщення характеризують за найбільш часто використовуваною класифікацією Інгольда, основоположником багатьох понять органічної хімії. За його таблицею, реакцію заміщення (S) поділяють за складом частинок, що входять у взаємодії. Вона буває:

• вільнорадикальна;
• нуклеофільна(N);
• електрофільна(E).

Це зручна класифікація, хоча вони і не враховує молекулярність сполук. Її альтернативною є поділ за ІЮПАК. Воно рідше використовується і засноване на описі базових актів створення і знищення зв’язків.

Запропонована класифікація була в 1988 році. ІЮПАК стверджував, що використання класифікації Інгольда викликає двозначні ситуації, коли одне пояснення може використовуватися для різного заміщення, наприклад, одностадійного ароматичного заміщення і двостадійної реакції аліфатичного атома вуглецю.

У його описі використовуються символи A і D, що пишуться разом при відщепленні і розділені плюсом, якщо стадії відбуваються окремо. Нижні індекси позначають тип реакції. Такий опис, зазвичай, громіздкий, тому в навчальній літературі він рідко коли використовується.

Електрофільні і нуклеофільні реакції

МНайважливіше, що потрібно знати про електрофільні реакції, це те, що існує два варіанти розриву зв’язку:

• монополярний;
• гетерополярний.

У першому випадку електронна пара руйнується, з’єднання не розриває зв’язок з атомом вуглецю. Наприклад, речовина, для якої характерна реакція заміщення, метан: H₃CH → H₃C + H, тобто з граничного вуглеводню утворюється негативно заряджений карбаніон, а електронна пара залишається у атома вуглецю.

Карбаніони можуть бути різної гібридизації sp2 і sp3. Чим більша їх стійкість, тим у них нижче здатність до реакцій. Визначається вона ступенем делокалізації заряду у атома вуглецю. Стійкість зменшується в ряду: феніл-вініл-циклопропіл-метил. Найслабша вона у вторинного і третинного карбаніона (поділ відбувається за кількістю зв’язків вуглецю).

Утворення нового зв’язку відбувається шляхом узагальнення вільної пари вуглецю з реагентом, що звильнилися. При цьому останній повинен мати позитивний заряд або секстет електронів.

Елемент в цьому випадку є електрофільною хімічною частинкою. Наприклад, до таких реакцій заміщення відноситься взаємодія брому з вуглецем. Формула такого запису, наступна: H₃C : Br⁺: Br^– – H₃CBr + Br.

Електрофільні реагенти бувають:

• нейтральними молекулами з нейтральною орбіталлю (AlCl₃, FeBr₃, SnCl₄);
• катіонами (SO₃H⁺, NO₂⁺, NO⁺);
• молекулами зі зниженою щільністю електронів (Cl₂, Br₂, I₂).

Нуклеофільна реакція буде протікати при руйнуванні вуглецевого зв’язку. В цьому випадку електронна пара від’єднується. Утворюється вуглецевий іон з позитивним зарядом. Формула запису буде відповідати виду:

H₃C: Cl-H₃C⁺: Cl^–

Утворений елемент має назву карбкатіон. Електронна пара втрачає атом вуглецю. Позитивний заряд знаходиться в sp2-гібридизації, тобто, змінює свій валентний стан на більш енергетично вигідний.

Стійкість карбкатіонів визначається ступенем делокалізації. Вона збільшується в ряду метил-катіон-первинний-вторинний-третинний.

При нуклеофільній реакції відбувається узагальнення електронної пари, яку представляє реагент. Субстрат має дефіцит електронів (⁺), а реагент (^–). Наприклад, H₃C⁺ + K⁺OH^– – H₃COH + K⁺. Є закономірність, що всі гетерополярні реакції проходять легше з полярними сполуками і поляризованими зв’язками.

Радикальні реакції

Радикалами називають окремі атоми або їх групи з неспареним електроном. Алкільні позначаються латинською буквою R з точкою, що стоїть поруч. Вільний електрон знаходиться на p-орбіталі, що знаходиться на перпендикулярній площині С. На геометрію радикала сильний вплив роблять замісники. Існують такі атоми недовго, а їх кількість незначна.

Загальмувати вільнорадикальні реакції можна інгібіторами або ініціаторами, оскільки вони дуже реакційноздатні частинки. В якості інгібіторів виступає кисень, йод, поліфенол, амін та інші сполуки.

Є два способи появи радикалів:

• госмолітичний розрив ковалентного зв’язку;
• перенесення з іона або на нього електрона.

Сталий стан визначається делокалізацією вільної частинки, просторовим і конформаційним фактором. До первинних радикалів відносять: метили, етили, пропили і ізобутили. До вторинних – ізопропіли, фтор-бутили, а до третинних – трет-бутили. Стабілізація зростає від первинних до третинних.

Найбільш типовим механізмом є реакція заміщення хлорування метану:

CH₄ + Cl_2-CH₃Cl + HCl

При радикальному заміщенні відбувається наступне:

• Ініціювання ланцюга шляхом гомолітичного розриву Cl : Cl-Cl* + Cl* під дією фотолізу.
• Радикали хлору намагаються стабілізуватися і починають впливати на молекули метану: Cl* + CH=HCl + *CH₃. Хлор відтягує на себе водень, а метан переходить в стан метил радикалу. На цій стадії відбувається шквальне збільшення кількості радикалів (зростання ланцюга).
• Щоб стабілізуватися, радикали впливають на молекули хлору і утворюється хлорметан з радикалом хлору CH₃* + Cl₂ → CH₃Cl + Cl*.
• На кінцевій стадії відбувається розрив ланцюга, тобто радикали зустрічаються і замикаються один на одному: 2Cl* → Cl або Cl* + CH → CH₃Cl.

До більш серйозних реакцій відноситься взаємодія брому з пропаном в результаті термолізу:

CH₃CH₂CH₃ + Br₂ → CY₃CHCH₃: Br + HBr

При обриві ланцюга, після взаємодії двох радикалів, утворюється молекула брому. Реакція радикала з ізопропілом призводить до появи двох бром пропан, а також утворення з’єднання «два, три диметилбутан».

Взаємодія з галогенами залежить від їх розташування і відповідає наступному:

F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂

З йодом реакція вже не проходить.

Типове заміщення

Різні завдання на визначення типу реакцій починають вирішувати у восьмому класі. Для того, щоб вирішувати завдання, необхідно не тільки правильно знати, як записати процес, але і визначити неможливий тип, а також розрізняти вид термічного процесу. Адже протікання будь-якої хімічної реакції неможливо без поглинання або виділення тепла. Такі процеси відповідно називаються екзотермічними і ендотермічними.

До особливостей елементів, здатних брати участь в реакції, відносять:

• Алкани. Сполуки, що складаються з простих зв’язків, насичених вуглеводнем: C_nH_2n+2. Через велику кількість органічних сполук, що складаються з водню і вуглецю реакція розкладання для них нездійсненна.
• Галогени. Всі вони є окислювачами. До них відносяться неметали. Найбільш яскраві представники: хлор, йод, фтор, бром, астат. В процесі галогенування водень, присутній в з’єднанні, замінюється галогеном. Починаючи з пропану С₃Н₈, алкани при радикальному заміщенні утворюють ізомери. При термічному галогенуванні процес визначається числом C-H-зв’язків і залежить від швидкості, з якою галогени замінять водень.
• Алкени. Виділяються вони присутністю в молекулах одного подвійного зв’язку. Саме вона відповідає за їх хімічні властивості. Реакція заміщення властива елементам з подвійними і потрійними зв’язками. До неї відносять гідрування H₂C = CH₂ + H₂-H₃C, гідрогалогенування H₂C = CH₂ + HBr → H₃C → CH₂Br, гідратацію H₂C = CH₂ + H₂О — H₃C-CH₂OH. При цьому є три механізми розриву: утворення вільного радикала, іона, приєднання водню до більш гідрованого атому вуглецю (реакція полімеризації).

Всі ці елементи можуть вступати в реакцію з утворенням простої або складної нової речовини. Під час процесу утворюються нові сполуки. Це відбувається до тих пір, поки не вичерпаються всі вільні радикали.

Приклади та онлайн-рішення

Реакції заміщення в своїй більшості є окислювально-відновними. Приклади процесів, в яких не спостерігається зміна ступеня окислення, нечисленні.

З поширених реакцій можна привести наступні:

• Cu+Hg (NO₃)₂ — Hg+Cu (NO₃)₂.
• Fe+CuSO₄ — Cu+FeSO₄.
• ZnO + SO₃ — ZnSO₄.
• 2KBr+ Cl₂ — 2KCl+ Br₂.
• Ba + 2HCl — BaCl₂ + H₂.
• C₂H₆ + Cl₂ — CH₃CH₂CL + HCL.
• CH₃CH2Cl + KOH — CH₃CH₂OH + KCl.
• NаНСО₃ + НСl = NаСl + Н₂О + СО₂
• Fe+ 2HCl — FeCl₂+ H₂.
• СrСl₃ + ЗNаОН — Сr (ОН)₃ + ЗNаСl.

Для перевірки своїх знань існують інтернет-сервіси, що дозволяють швидко вирішити будь-яке хімічне рівняння онлайн, наприклад, chemequations.com.

Користуватися ним зможе будь-хто, навіть той, хто не вміє правильно вказати позначення хімічних елементів. Для роботи з сайтом необхідно написати частини з’єднання (система буде сама пропонувати правильне їх позначення) і натиснути «пошук». Правильне рішення буде розраховане автоматично.