Phản ứng thế là gì? Phân loại, ví dụ và các bài tập liên quan?

1. Phản ứng thế là gì?

Sách giáo khoa Hóa học lớp 8, bài 33, khái niệm “phản ứng thế” được định nghĩa như sau: “Phản ứng thế là phản ứng hóa học giữa đơn chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất”.

Trong các phản ứng thế, một nguyên tử của một đơn chất thường là một kim loại hoặc ion kim loại thay thế một nguyên tử khác trong một hợp chất. Phản ứng thế có thể xảy ra trong nhiều trường hợp, như khi một kim loại thế vào một dung dịch muối của kim loại khác, tạo ra một hiện tượng như “trộn loãng”, trong đó một kim loại thế vào cấu trúc tinh thể của kim loại khác.

Ví dụ phổ biến về phản ứng thế là trong chuỗi phản ứng điện hóa, ví dụ như chuỗi phản ứng của kim loại sắt trong môi trường nước biển, khi sắt thế vào dung dịch muối của natri. Trong các phản ứng này, nguyên tử sắt sẽ thế vào vị trí của nguyên tử natri trong hợp chất, tạo ra các hợp chất thế.

Tóm lại, khái niệm phản ứng thế mô tả việc một nguyên tử của một đơn chất thay thế một nguyên tử khác trong hợp chất, thường xảy ra trong các phản ứng hóa học liên quan đến kim loại và ion kim loại.

2. Phân loại phản ứng thế và ví dụ:

2.1. Phản ứng thế trong hóa học vô cơ:

Phản ứng thế thường đi kèm với sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố tham gia trong phản ứng. Trong phản ứng này, một nguyên tố có hoạt động hóa học mạnh hơn sẽ thay thế một nguyên tố khác có hoạt động yếu hơn trong các hợp chất của nguyên tố đó. Điều này xảy ra khi có sự tương tác giữa các chất tham gia phản ứng, và điều kiện như nhiệt độ, áp suất, pH có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hướng của phản ứng thế.

Phương trình phản ứng mẫu mà bạn cung cấp: A + BX -> AX + B, cho thấy nguyên tố A thế vào hợp chất BX để tạo ra hợp chất AX và giải phóng nguyên tố B. Đây là một ví dụ đơn giản về phản ứng thế trong hóa học vô cơ.

Ví dụ cụ thể về phản ứng thế là phản ứng giữa kim loại kẽm và dung dịch muối đồng sulfate:

CuSO₄ + Zn -> ZnSO₄ + Cu

Trong phản ứng này, nguyên tử kẽm (Zn) thế vào hợp chất muối đồng sulfate (CuSO₄), tạo ra muối kẽm sulfate (ZnSO₄) và giải phóng nguyên tử đồng (Cu).

2.2. Phản ứng thế trong hóa học hữu cơ:

Phản ứng thế trong hóa học hữu cơ có thể được chia thành ba loại chính:

– Phản ứng thế ái lực điện tử: Trong loại phản ứng này, một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử thay thế một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác trong phân tử hữu cơ. Phản ứng này thường liên quan đến sự chuyển đổi của các liên kết π (liên kết pi) và thay đổi vị trí các electron, do đó, nó được gọi là “phản ứng thế ái lực điện tử”.

– Phản ứng thế ái lực hạt nhân: Trong loại phản ứng này, một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử tham gia thay thế một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác bằng cách tham gia vào một phản ứng hạt nhân. Đây thường là các phản ứng thế nucleophilic (động cơ hạt nhân) hoặc phản ứng thế electrophilic (động cơ điện tử).

– Phản ứng thế gốc: Trong loại phản ứng này, các gốc tự do hữu cơ (như các radicale) tham gia thay thế các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử khác. Các phản ứng này thường xảy ra dưới tác động của ánh sáng hoặc các điều kiện thích hợp để tạo ra gốc tự do.

Phản ứng thế trong các hợp chất hữu cơ, như các hidrocacbon no (được ký hiệu là S), thường là các phản ứng dây chuyền. Để khởi mào phản ứng, cần thiết chiếu sáng hoặc thêm các chất dễ phân hủy thành gốc tự do vào hệ thống phản ứng.

Như vậy, phản ứng thế trong hóa học hữu cơ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các sản phẩm mới thông qua việc thay đổi cấu trúc của các hợp chất hữu cơ

Ví dụ về điều chế hidro phản ứng thế: Quá trình này thường được sử dụng để sản xuất khí hidro (H₂) bằng cách tác dụng giữa axit clohidric (HCl) hoặc axit sulfuric (H₂SO₄) loãng với kim loại kẽm (Zn). Dưới đây là mô tả chi tiết của quá trình này:

– Chuẩn bị: Đặt một mảnh kim loại kẽm (Zn) hoặc một vài hạt kẽm vào ống nghiệm.

– Thêm axit: Rót 2-3 ml dung dịch axit clohidric (HCl) hoặc axit sulfuric (H₂SO₄) loãng vào ống nghiệm chứa kẽm. Khi axit tác dụng với kẽm, phản ứng sẽ tạo ra khí hidro (H₂) và muối của axit tương ứng (Cl⁻ hoặc SO₄²⁻).

– Đậy ống nghiệm: Đậy kín ống nghiệm bằng một nút cao su có ống dẫn khí xuyên qua. Việc đậy kín ống nghiệm giúp hướng khí hidro tạo ra khỏi hệ thống và không cho không khí bên ngoài xâm nhập vào.

– Thu thập khí hidro: Sau khi thực hiện các bước trên, khí hidro sẽ được sinh ra từ phản ứng giữa axit và kim loại kẽm. Để kiểm tra tính tinh khiết của khí hidro, bạn có thể dùng que đom đóm để thấy liệu khí có cháy không. Que đom đóm cháy trong khí hidro do hidro là một chất cháy.

– Thêm axit vào mảnh kẽm: Khi dung dịch axit clohidric (HCl) tiếp xúc với mảnh kẽm (Zn), phản ứng xảy ra tạo ra khí hidro (H₂) và muối kẽm clorua (ZnCl₂).

– Các bọt khí xuất hiện: Khi phản ứng diễn ra, các bọt khí hidro sẽ xuất hiện trên bề mặt mảnh kẽm. Đây là khí hidro thoát ra khỏi dung dịch axit.

– Mảnh kẽm tan dần: Kẽm reaguje sẽ phản ứng hết trong dung dịch axit, do đó, mảnh kẽm sẽ dần tan đi trong dung dịch.

– Khí hidro không làm cho than hồng bùng cháy: Khí hidro không cháy được (không tạo lửa) trong không khí, nên không gây sự cháy của que đom đóm tàn đỏ khi đưa vào khí hidro.

 Khí hidro cháy với ngọn lửa xanh nhạt: Khi đưa que đom đóm đang cháy vào khí hidro, khí hidro sẽ cháy với ngọn lửa màu xanh nhạt, đó chính là một trong những đặc điểm nhận biết của khí hidro.

– Cô cạn dung dịch: Quá trình cô cạn dung dịch kết quả trong việc tạo ra chất rắn màu trắng, là muối kẽm clorua (ZnCl₂), sau khi nước trong dung dịch bay hơi.

– Phương trình hóa học biểu diễn quá trình điều chế hidro trong phòng thí nghiệm như sau:

Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂

Trong đó: Zn là kim loại kẽm, HCl là axit clohidric, ZnCl₂ là muối kẽm clorua, H₂ là khí hidro.

Quá trình này không chỉ giúp học sinh hiểu về phản ứng hóa học mà còn hỗ trợ trong việc tạo ra khí hidro cho các thí nghiệm khác liên quan đến tính chất và ứng dụng của khí hidro

Lưu ý: 

Việc sử dụng axit sulfuric (H₂SO₄) loãng thay thế axit clohidric (HCl) và sử dụng kim loại như sắt (Fe) hoặc nhôm (Al) thay thế cho kẽm (Zn) có thể tạo ra các điều kiện khác nhau để điều chế khí hidro.

Việc thu khí hidro vào ống nghiệm bằng cách đẩy nước ra khỏi ống nghiệm hoặc đẩy không khí ra khỏi ống nghiệm cũng là một cách thông minh để làm việc với khí hidro trong lượng lớn.

Những thông tin này sẽ giúp học sinh và những người tham gia thí nghiệm hiểu rõ hơn về quá trình điều chế hidro, cách thay đổi điều kiện để điều chế và sử dụng khí hidro một cách hiệu quả.

3. Bài tập liên quan đến phản ứng thế:

Bài tập 1: Cho phản ứng sau: CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu

a) Đây là phản ứng thế gì? b) Viết phương trình phản ứng hoá học chính xác.

Lời giải: a) Đây là phản ứng thế kim loại. b) Phương trình phản ứng: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Bài tập 2: Cho biết phương trình phản ứng sau: 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂

a) Đây là phản ứng thế loại gì? b) Hãy xác định kim loại tham gia phản ứng thế.

Lời giải: a) Đây là phản ứng thế kim loại. b) Kim loại tham gia phản ứng thế là nhôm (Al).

Bài tập 3: Cho phản ứng sau: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

a) Đây là phản ứng thế gì? b) Viết phương trình phản ứng hoá học chính xác.

Lời giải: a) Đây là phản ứng thế hydro. b) Phương trình phản ứng: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Bài tập 4: Trong phản ứng thế gốc, tại sao các gốc tự do hữu cơ tham gia vào phản ứng?

Lời giải: Các gốc tự do hữu cơ tham gia vào phản ứng thế gốc để thay thế các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác trong các hợp chất hữu cơ, tạo ra sản phẩm mới có cấu trúc khác.

Bài tập 5: Hãy cho biết điều kiện nào cần thiết để xảy ra phản ứng thế ái lực điện tử.

Lời giải: Điều kiện cần thiết để xảy ra phản ứng thế ái lực điện tử là có tác động của ánh sáng hoặc điện trường để gây ra sự thay đổi về phân phối electron trong hệ thống phản ứng.

Bài tập 6: Trong quá trình điều chế khí hidro bằng phản ứng giữa HCl và Zn, nếu thay thế Zn bằng Al, phản ứng có xảy ra không? Vì sao?

Lời giải: Phản ứng sẽ xảy ra khi thay thế Zn bằng Al. Al có hoạt động hóa học mạnh hơn so với Zn, nên phản ứng sẽ diễn ra tương tự như với Zn.

Bài tập 7: Cho phản ứng sau: 2 HBr + Cl₂ → 2 HCl + Br₂

a) Đây là phản ứng thế loại gì? b) Hãy viết phương trình phản ứng hoá học chính xác.

Lời giải:

a) Đây là phản ứng thế hạt nhân.

b) Phương trình phản ứng: 2 HBr + Cl₂ → 2 HCl + Br₂