Wróć do informacji o e-podręczniku Udostępnij materiał Wydrukuj

Człowiek od dawna prowadzi próby przetwarzania różnorodnych surowców w celu uzyskania bardziej użytecznych materiałów. Na przykład przeobraża pewne skały bogate w związki metali (rudy), otrzymując wolne pierwiastki, np. żelazo czy glin. Przeprowadzane reakcje mają pewne wspólne cechy, które zostaną omówione w tym module.

Już wiesz
  • że synteza i analiza to przykłady reakcji chemicznych;

  • synteza (łączenie) jest reakcją, w wyniku której z dwóch lub większej liczby substancji powstaje tylko jedna substancja – bardziej złożona;

  • analiza (rozkład) jest reakcją, w wyniku której z jednej substancji złożonej powstają co najmniej dwie inne;

  • cyfry zapisywane przed symbolami i wzorami substancji w równaniach reakcji chemicznej to współczynniki stechiometryczne.

Nauczysz się
  • wyjaśniać, co to są reakcje wymiany;

  • rozpoznawać reakcje wymiany na podstawie ich równań;

  • opisywać doświadczenia chemiczne, uwzględniając: szkło i sprzęt laboratoryjny, odczynniki chemiczne, schemat aparatury;

  • formułować obserwacje i wnioski z doświadczeń;

  • przestrzegać zasad BHP podczas wykonywania doświadczeń chemicznych.

i7qEnw9Csg_d5e184

1. Co to są reakcje wymiany?

Przyjrzyj się poniższym równaniom reakcji.

R8Vd0NJnNiZir1
Źródło: Agnieszka Lipowicz, licencja: CC BY 3.0.

W efekcie każdej z tych przemian z dwóch różnych substratów powstają dwa inne produkty.

Substraty i produkty przykładowych reakcji

Równanie reakcji

Substraty

Produkty

2CuO + C → 2Cu + CO2

CuO, C

Cu, CO2

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

Fe2O3, Al

Fe, Al2O3

Przedstawione reakcje przebiegają według schematu:

substrat1 + substrat2 → produkt1 + produkt2

O tego typu reakcjach mówi się, że są to reakcje wymianyreakcja wymianyreakcje wymiany.

Reakcja tlenku ołowiu(II) z węglem1
Doświadczenie 1
Problem badawczy

Co dzieje się podczas reakcji tlenku ołowiu(II) z węglem? Jaki to typ reakcji?

Hipoteza

Węgiel odbiera tlen z tlenku ołowiu(II). Zachodzi reakcja wymiany.

Co będzie potrzebne
  • węgiel drzewny,

  • tlenek ołowiu(II),

  • dmuchawka,

  • łopatka dentystyczna,

  • parownica,

  • statyw i łapa (kółko) do osadzenia parownicy,

  • palnik gazowy.

Instrukcja
  1. W kawałku węgla drzewnego wykonaj wgłębienie (wybrane z wgłębenia okruchy pozostaw – będą potrzebne w dalszej części doświadczenia).

  2. Wprowadź do wgłębienia niewielką ilość tlenku ołowiu(II), tak aby wypełnił je tylko częściowo.

  3. Wymieszaj tlenek ołowiu(II) z okruchami węgla drzewnego otrzymanego podczas robienia wgłębienia.

  4. Zapal palnik gazowy i za pomocą dmuchawki skieruj gorący płomień na mieszaninę tlenku ołowiu(II) z węglem.

  5. Obserwuj zachodzące zmiany.

Podsumowanie

Ogrzewany w płomieniu palnika węgiel drzewny rozżarza się. Po pewnym czasie na powierzchni mieszaniny tlenku ołowiu(II) z węglem drzewnym pojawiają się srebrzyste kuleczki.
Pod wpływem wysokiej temperatury tlenek ołowiu(II) reaguje z węglem i powstaje ołów, który wydziela się z mieszaniny reakcyjnej w postaci srebrzystych kuleczek. Węgiel przekształca się w tlenek węgla(IV).
Przebieg tej reakcji opisuje równanie:

2PbO + C → 2Pb + CO2
tlenek ołowiu(II) + węgiel → ołów + tlenek węgla(IV)
RGMdyGfYFsEnt1
Film rozpoczyna ujęcie żółtego tlenku ołowiu dwa na szkiełku zegarkowym oraz kawałka węgla drzewnego. Przy obydwu substancjach znajdują się podpisy. Zmiana ujęcia na przedstawiające wnętrze parownicy w którym leży kawałek węgla drzewnego z wydrążoną dziurą. Do dziury wsypywany jest tlenek ołowiu i mieszany z okruchami węgla. Na tak przygotowane palenisko kierowany jest płomień małego palnika ręcznego, czyli tak zwanej dmuchawki. Następuje przejście w takie samo ujęcie, ale już z rozżarzonym węglem drzewnym. Kolejna zmiana ujęcia na wypalony do białości węgiel. W zagłębieniu widać metaliczne kuleczki, pod którymi pojawia się napis ołów. Obraz zostaje zastąpiony czarną planszą, na której stopniowo pojawia się równanie reakcji: tlenek ołowiu dwa plus węgiel daje ołów plus tlenek węgla cztery. Równanie zapisane symbolicznie zostaje podzielone na dwie części różnymi kolorami tekstu. Część lewa, czerwona otrzymuje podpis Substraty, natomiast część prawa, niebieska otrzymuje podpis Produkty. Podpis pod planszą głosi Reakcja wymiany.
Reakcja żelaza z chlorkiem miedzi(II)
Doświadczenie 2
Problem badawczy

W jaki sposób żelazo reaguje z chlorkiem miedzi(II)? Jaki to typ reakcji?

Hipoteza

Żelazo zajmie miejsce miedzi w chlorku miedzi(II). Zajdzie reakcja wymiany.

Co będzie potrzebne
  • zlewka,

  • szczypce,

  • cylinder miarowy,

  • gwóźdź (blaszka lub inny przedmiot) wykonany z żelaza,

  • chlorek miedzi(II),

  • woda.

Instrukcja
  1. Do zlewki wsyp kilka łyżeczek chlorku miedzi(II).

  2. W tej substancji umieść gwóźdź lub inny przedmiot wykonany z żelaza.

  3. Obserwuj, czy zmieszane substancje reagują ze sobą.

  4. Wyjmij żelazny przedmiot, a do chlorku miedzi(II) wlej kilkadziesiąt cmIndeks górny 3 wody (powstały roztwór powinien być niebieski).

  5. W otrzymanym roztworze zanurz wykonany z żelaza gwóźdź do połowy jego wysokości.

  6. Obserwuj zachodzące zmiany.

Podsumowanie

Po zmieszaniu stałych substancji ze sobą nie obserwujemy żadnych widocznych zmian. Po włożeniu do wodnego roztworu chlorku miedzi(II) żelaznego przedmiotu na powierzchni tego przedmiotu, w części zanurzonej w niebieskim roztworze, pojawił się czerwonopomarańczowy nalot.

Żelazo wyparło miedź z wodnego roztworu chlorku miedzi(II). Miedź wydzieliła się z roztworu w stanie wolnym. Zaszła reakcja wymiany:

Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2
żelazo + chlorek miedzi(II) → miedź + chlorek żelaza(II)
RAEwkxyIXuecO1
Film rozpoczyna ujęcie zamkniętego słoja opisanego Miedziany chlorek krystaliczny, szkiełka zegarkowego i gwoździa. W tle widać fragment tułowia i ręce demonstratora w rękawiczkach ochronnych. Zmiana ujęcia, następuje zbliżenie stołu i przejazd ze szkiełka z niebieską substancją na gwóźdź. Zmiana ujęcia na wnętrze parownicy w którym jest niewielka ilość chlorku miedzi dwa oraz gwóźdź. Zmiana ujęcia na przedstawiające zlewkę z około 100 mililitrami wody. Turkusowy chlorek miedzi zostaje do niej wsypany i wymieszany do rozpuszczenia szklaną pałeczką, czyli bagietką. Następnie demonstrator za pomocą długich szczypców wkłada gwóźdź do zlewki tak, że dolna jego połowa zostaje zanurzona. W lewym górnym rogu pojawia się rysunek zegara odliczającego czas kilku godzin. Następuje zmiana ujęcia na takie, w którym zlewka znajduje się po prawej stronie ekranu, a centralną część zajmuje bibuła, na którą demonstrator kładzie wyjęty z roztworu gwóźdź. Dolna połowa tego ostatniego pokryta jest brązową warstwą miedzi. Film zostaje wygaszony, na ekranie pojawia się wycinek kadru ze zbliżeniem gwoździa. Poniżej, na czarnym tle pojawia się zapis reakcji: żelazo plus chlorek miedzi dwa daje miedź plus chlorek żelaza dwa. Pojawia się podpis: Reakcja wymiany, żelazo wykazuje większą aktywność niż miedź.
i7qEnw9Csg_d5e380

2. Które przemiany chemiczne można nazwać reakcjami wymiany?

W tym zagadnieniu zostaną zaprezentowane przykłady reakcji wymiany, w wyniku których z dwóch różnych substratów powstają dwa inne produkty.

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3
tlenek żelaza(III) + glin → żelazo + tlenek glinu
Opis reakcji wymiany (tlenku żelaza(III) z glinem)

Równanie reakcji

Substrat1
Substrat2
Produkt1
Produkt2
Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3
Fe2O3
Al
Fe
Al2O3

Reakcja ta przebiega według schematu:

substrat1 + substrat2 produkt1 + produkt2
Ciekawostka

Do spawania szyn kolejowych i tramwajowych używa się mieszaniny glinu w postaci pyłu z tlenkiem żelaza(III). Mieszaniną tą wypełnia się szczelinę między szynami, a następnie podpala się wypełnienie. Zachodzi wówczas bardzo gwałtowna przemiana chemiczna (tlenek żelaza(III) + glin → żelazo + tlenek glinu), podczas której tworzy się żelazo w stanie płynnym. Stygnąc, żelazo spaja ze sobą dwa fragmenty szyn. Stosowana przy spawaniu szyn metoda z wykorzystaniem glinu to aluminotermii.

R1T44W8R4Mh8G1
Podczas spawania szyn zachodzi reakcja wymiany
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
tlenek żelaza(III) + tlenek węgla(II) → żelazo + tlenek węgla(IV)
Opis reakcji wymiany (tlenku żelaza(III) z tlenkiem węgla(II))

Równanie reakcji

Substrat1
Substrat2
Produkt1
Produkt2
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Fe2O3
CO
Fe
CO2

Reakcja ta przebiega według schematu:

substrat1 + substrat2 → produkt1 + produkt2
Ciekawostka

Podczas otrzymywania żelaza z jego rud na pewnym etapie procesu tlenek żelaza(III) reaguje z tlenkiem węgla(II), który odbiera tlen z tlenku żelaza(III) co uwzględniono w schematu reakcji:

tlenek żelazaIII + tlenek węglaII → żelazo + tlenek węgla(IV)
R1dbwmBJ5bkWd1
W wielkim piecu, stosowanym do przerobu rud żelaza, zachodzą m.in. reakcje wymiany
2Mg + TiCl4 → Ti + 2MgCl2
magnez + chlorek tytanu(IV) → tytan + chlorek magnezu
Opis reakcji wymiany (magnezu z chlorkiem tytanu(IV))

Równanie reakcji

Substrat1
Substrat2
Produkt1
Produkt2
2Mg + TiCl4 → Ti + 2MgCl2
Mg
TiCl4
Ti
MgCl2

Reakcję tę można przedstawić w postaci schematu:

substrat1 + substrat2 → produkt1 + produkt2
Ciekawostka

Tytan z uwagi na swoje właściwości (dużą wytrzymałość mechaniczną, odporność na korozję, niską masę) jest metalem wykorzystywanym do produkcji przedmiotów, od których wymaga się, aby były wytrzymałe i jednocześnie lekkie. Z tytanu i jego stopów produkuje się między innymi sprzęt sportowy oraz elementy pojazdów sportowych i samolotów. Jedną z metod otrzymywania tego metalu jest reakcja wymiany chlorku tytanu(IV) z magnezem, w czasie której magnez wypiera tytan z jego związku (magnez + chlorek tytanu(IV) → tytan + chlorek magnezu).

R1QiCr4JuUThn1
Z tytanu i jego stopów wytwarza się np. elementy silników oraz pokrycia samolotów
Ciekawostka

Zastosowanie reakcji wymiany w metalurgii
Reakcje wymiany znalazły szerokie zastosowanie w metalurgii – do otrzymywania wolnych metali. Już ponad 3500 lat temu ludzie nauczyli się wytapiać metale z ich rud. W pierwszym etapie rudę poddawano działaniu wysokiej temperatury, co umożliwiało przeprowadzenie zawartego w niej związku chemicznego metalu w jego tlenek. Następnie tlenek metalu ogrzewano z węglem drzewnym. Podczas tego procesu węgiel łączył się z tlenem zawartym w tlenku metalu (odbierał od niego tlen) i w ten sposób pozyskiwano metal.

Podczas opisanej przemiany z dwóch różnych substratów, tlenku metalu i węgla, powstają dwa inne produkty: metal i tlenek węgla(IV). Przemiana ta jest przykładem reakcji wymiany.

R16Z1YLbNYlwq1
Dawny piec hutniczy, zwany dymarką, wykorzystywany do otrzymywania żelaza z rud przy użyciu węgla drzewnego
i7qEnw9Csg_d5e498

3. Reakcja redukcji tlenku jako przykład reakcji wymiany

Reakcja łączenia się substancji z tlenem nazywa się reakcją utleniania*. Przemiana, w której tlenek ulega „odtlenieniu”, określana jest mianem reakcji redukcjireakcja redukcji (redukcja)reakcji redukcji*. Wszystkie poznane w tym module reakcje, w wyniku których z tlenku metalu powstawał metal, są przykładami reakcji redukcji. O substancji odbierającej tlen od tlenku metalu mówi się, że redukuje ona tlenek.
*Podczas nauki chemii w zakresie rozszerzonym poznacie współczesną interpretację tego pojęcia.

Przykłady reakcji wymiany, podczas których dochodzi do redukcji tlenków

Zapis słowny przebiegu reakcji

Równanie reakcji chemicznej

Substancja
redukująca tlenek

tlenek ołowiu(II) + węgiel → ołów + tlenek węgla(IV)
2PbO + C → 2Pb + CO2

węgiel

tlenek żelaza(III) + tlenek węgla(II) → żelazo + tlenek węgla(IV)
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

tlenek węgla(II)

tlenek miedzi(II) + węgiel → miedź + tlenek węgla(IV)
2CuO + C → 2Cu + CO2

węgiel

tlenek żelaza(III) + glin → żelazo + tlenek glinu
Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

glin

tlenek miedzi(II) + wodór → miedź + woda
CuO + H2 → Cu + H2O

wodór

W metalurgii bardzo często do redukcji tlenków metali wykorzystuje się węgiel. Jego źródła są stosunkowo tanie i łatwo dostępne. Jednak za jego pomocą można zredukować tylko niektóre tlenki metali. Należą do nich na przykład tlenki: cynku, żelaza, ołowiu, miedzi. Tlenki te, ogrzewane z węglem, redukują się do wolnych pierwiastków, podczas gdy węgiel utlenia się. Jednak wielu tlenków metali nie udaje się zredukować za pomocą węgla. Do otrzymywania czystych pierwiastków stosuje się wtedy inne metody.

i7qEnw9Csg_d5e540

4. Reakcje wymiany pojedynczej i podwójnej

Wśród reakcji wymiany wyróżnia się reakcje wymiany pojedynczejreakcja wymiany pojedynczejreakcje wymiany pojedynczejreakcje wymiany podwójnejreakcja wymiany podwójnejreakcje wymiany podwójnej. Pierwszy rodzaj, reakcja wymiany pojedynczej, jest przemianą, podczas której dwa substraty (pierwiastek i związek chemiczny) przekształcają się w dwa produkty (nową substancję prostą i złożoną). Jej przebieg można opisać za pomocą następującego schematu:

związek chemiczny1 + pierwiastek1 → pierwiastek2 + związek chemiczny2
Przykłady reakcji wymiany pojedynczej

Równanie reakcji chemicznej

Zapis słowny przebiegu reakcji

ZnO + C → Zn + CO
tlenek cynku + węgiel → cynk + tlenek węgla(II)
Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3
tlenek żelaza(III) + glin → żelazo + tlenek glinu
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
tlenek krzemu(IV) + magnez → krzem + tlenek magnezu

Druga grupa to reakcje wymiany podwójnej. Zachodzą one wtedy, gdy dwie substancje złożone przekształcają się w dwa nowe związki chemiczne. Poniższy schemat obrazuje przebieg reakcji wymiany podwójnej:

związek chemiczny1 + związek chemiczny2 → związek chemiczny3 + związek chemiczny4
Przykłady reakcji wymiany podwójnej

Równanie reakcji chemicznej

Zapis słowny przebiegu reakcji

NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl
chlorek sodu + azotan(V) srebra(I) → azotan(V) sodu + chlorek srebra
BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4 + 2NaCl
chlorek baru + siarczan(VI)sodu → siarczan(VI)baru + chlorek sodu
i7qEnw9Csg_d5e594

Podsumowanie

  • Obok reakcji analizy i syntezy istnieje trzeci typ reakcji – reakcja wymiany.

  • Reakcja wymiany jest przemianą, podczas której następuje wymiana składników pomiędzy reagującymi substancjami. Przebiega ona według schematu:
    substrat1 + substrat2 → produkt1 + produkt2.

  • Reakcje wymiany można podzielić na dwie grupy: reakcje wymiany pojedynczej i reakcje wymiany podwójnej.

  • Reakcja wymiany pojedynczej to przemiana, podczas której dwa substraty (pierwiastek i związek chemiczny) przekształcają się w dwa produkty (nową substancję prostą i złożoną).

  • Reakcja wymiany podwójnej jest przemianą, podczas której dwie substancje złożone przekształcają się w dwa związki chemiczne.

  • Reakcja redukcji (redukcja) jest przemianą chemiczną, podczas której substancja złożona (tlenek) oddaje tlen.

  • Reakcja redukcji jest przykładem reakcji wymiany.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Korzystając z dowolnych materiałów (na przykład plasteliny, kasztanów, klocków itp.), wykonaj model przedstawiający przebieg reakcji wymiany pojedynczej i wymiany podwójnej.

Polecenie 1.2

Ołów występuje w przyrodzie głównie w postaci siarczku ołowiu(II) – PbS. Z tej substancji w wyniku reakcji chemicznych uzyskuje się ołów. W pierwszym etapie siarczek ołowiu(II) praży się na wolnym powietrzu. Podczas tego procesu związek ten reaguje z tlenem, a produktami reakcji są tlenek ołowiu(II) i tlenek siarki(IV). W dalszym etapie tlenek ołowiu(II) ogrzewa się w wysokiej temperaturze z węglem i otrzymuje się ołów oraz tlenek węgla(IV).
Na podstawie powyższych informacji zapisz dwa równania reakcji prowadzące do uzyskania ołowiu z siarczku ołowiu(II). Wskaż równanie opisujące reakcję wymiany.

i7qEnw9Csg_d5e726

Słowniczek

reakcja redukcji (redukcja)
reakcja redukcji (redukcja)

przemiana chemiczna, podczas której substancja złożona (tlenek) oddaje tlen (współczesną interpretację tego pojęcia poznacie w trakcie nauki chemii w zakresie rozszerzonym)

reakcja wymiany
reakcja wymiany

przemiana chemiczna, podczas której z co najmniej dwóch substratów powstają co najmniej dwa produkty

reakcja wymiany podwójnej
reakcja wymiany podwójnej

przemiana, podczas której dwie substancje złożone (związki chemiczne) przekształcają się w dwie nowe substancje złożone (związki chemiczne)

reakcja wymiany pojedynczej
reakcja wymiany pojedynczej

przemiana, podczas której dwa substraty (pierwiastek i związek chemiczny) przekształcają się w co najmniej dwa produkty (nową substancję prostą i złożoną)

i7qEnw9Csg_d5e814

Zadania

Ćwiczenie 1
RHGoKh3bjV0l11
zadanie interaktywne
Źródło: Agnieszka Kamińska-Ostęp, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
R10UQjnD4PhZq1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
RoxxcGbkb8MRX1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
R1A5iz3uZGpAe1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
RGbFNRJSewlxl1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
Rlkglqs9qGubK1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
Rj7UQKHtfqjy81
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.

Rozwiąż zadanie.

Ćwiczenie 8.1
R1UBs4CPosnXL1
Aplikacja ma postać planszy z zapisem słownym reakcji tlenek miedzi dwa plus wodór daje w efekcie miedź plus wodę. Od i do elementów składowych reakcji prowadzą strzałki połączone z sześcioma pustymi polami. Każde z nich można zapełnić przeciągając tam jedno z pięciu określeń: reakcja wymiany, produkty reakcji, substraty reakcji, związek chemiczny oraz pierwiastki. Polecenie brzmi: po przeanalizowaniu schematu reakcji wstaw brakujące elementy we właściwe miejsca. W prawym dolnym rogu okna programu znajduje się przycisk Sprawdź służący do weryfikacji odpowiedzi.
Źródło: Tomorrow sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.