مثال‏هایی از واکنش جانشینی یگانه

در شیمی، سه نوع اساسی از واکنش‏ها وجود دارد، که شامل واکنش‏های افزایشی، واکنش‏های تجزیه و واکنش‏های جانشینی می‏باشد. در میان این واکنش‏ها، ما درباره‏ی یک نوع واکنش‏های جانشینی که واکنش جانشینی یگانه نامیده می‏شود، همراه با مثال‏های مختلف، بحث می‏کنیم.
به منظور محافظت از سازه‏های ایجاد شده از آهن در مقابل خوردگی، یک فلز واکنش‏پذیرتر مانند فلز روی به آن افزوده می‏شود. این فلز با محیط واکنش داده و خود فلز خورده می‏شود در حالی که آهن حفظ می‏گردد. چنین فلزاتی به نام "فلزات قربانی" شناخته می‏شوند.
در شیمی، ترکیباتی که در یک واکنش شیمیایی شرکت می‏کنند، واکنش‏دهنده‏ها نام دارند، در حالی که ترکیباتی که بعد از واکنش شیمیایی تشکیل می‏شوند، محصولات نامیده می‏شوند. واکنش‏دهنده‏ها از نظر فیزیکی و شیمیایی با محصولاتی که از آن‏ها ایجاد می‏شود، متفاوت هستند. یک واکنش شیمیایی می‏تواند به صورت زیر نشان داده شود:
A + B ➝ C + D
به عنوان یک قانون، A و B در سمت چپ نوشته می‏شود، و محصولات آن‏ها در سمت راست نوشته می‏شود (به معنای یک واکنش شیمیایی).
در یک واکنش جانشینی، جانشینی یکی از واکنش‏دهنده‏ها توسط واکنش‏دهنده‏ی دیگر وجود دارد. معمولا، این واکنش‏ها بین یک فلز و غیر فلز رخ می‏دهد که توسط پیوند یونی به هم متصل هستند. واکنش‏های جانشینی می‏تواند به دو دسته‏ی جانشینی یگانه و دوگانه طبقه‏بندی شوند. در واکنش جانشینی یگانه، یک یون یا یک اتم از یک عنصر توسط یون ها یا اتم‏های دیگر جایگزین می‏گردند (به صورت دقیق در زیر مورد بحث قرار گرفته است). در یک واکنش جانشینی دوگانه، تبادل یون‏ها یا اتم‏ها بین واکنش دهنده‏ها وجود دارد.
واکنش‏های جانشینی یگانه
واکنش‏های جانشینی یگانه یا واکنش‏های جابجایی یگانه شامل جابجایی یک اتم یا یک یون توسط یک ترکیب واکنش‏پذیرتر می‏باشد. این نوع از واکنش می‏تواند به صورت زیر نشان داده شود:
A + B-C ➝ B + A-C
در این‏جا، A یک ترکیب واکنش‏پذیرتر در مقایسه با B می‏باشد. بنابراین، B از ترکیب B-C به محصولات B و A-C جایگزین می‏گردد. A و B معمولا فلزات (دهنده‏ی الکترون) یا هیدروژن باردار شده‏ی مثبت می‏باشند. C معمولا یک غیر فلز یا یک آنیون (پذیرنده‏ی الکترون) می‏باشد و معمولا به عنوان یک یون ناظر در نظر گرفته شده و در واکنش شرکت نمی‏کند.
چگونه برخی از ترکیبات واکنش‏پذیرتر از ترکیبات دیگر هستند؟
واکنش‏پذیری یک عنصر (معمولا فلزات) می‏تواند سهولت دادن یک الکترون توسط آن‏ها تعیین گردد. ترتیب واکنش‏پذیری فلزات به صورت زیر می‏باشد:
K > Na > Li > Sr > Ca > Mg > Al > Zn > Cr > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Ag
در محیط اطراف ما، برخی مثال‏های واکنش جانشینی یگانه وجود دارد.
در استخراج آهن از سنگ معدن آن، اکسید آهن با کربن حرارت می‏بیند. کربن در یک دمای بسیار بالا جایگزین آهن می‏گردد و سپس آهن عنصری تشکیل می‏گردد.
2Fe2O3 + 3C➝ 4Fe + 3CO2

دو نوع واکنش جانشینی یگانه وجود دارد:
واکنش جانشینی کاتیون
واکنش جانشینی آنیون
واکنش جانشینی کاتیون
در این نوع از واکنش، یک کاتیون (یون‏های باردار مثبت) با کاتیون دیگر که در ترکیب وجود دارد، جایگزین می‏گردد.
X + [Y]+[Z] - ➝ Y + [X]+[Z]-
در این‏جا، یک کاتیون +X جایگزین کاتیون +Y می‏گردد.
این واکنش‏ها به عنوان واکنش ردوکس در نظر گرفته می‏شوند چون یک کاهش همزمان یک واکنش‏دهنده، و اکسیداسیون واکنش‏دهنده ی دیگروجود دارد. +X الکترون‏ها را گرفته و کاهش می‏یابند، در حالی که+Y الکترون‏ها را می‏دهد و تحت واکنش اکسیداسیون قرار می‏گیرد.
مثال‏هایی از واکنش جانشینی کاتیون
Zn(s) + 2HCl(aq) ➝ ZnCl2 + H2
در طی شکستن این واکنش، ما واکش زیر را به دست می‏آوریم:
Zn + HCl ➝ Zn+Cl + H0
Zn+Cl + HCl + H0 ➝ ZnCl2 + H2(g(
در این‏جا، فلز روی واکنش‏پذیرتر از هیدروژن می‏باشد. جایگزینی هیدروژن با اسید هیدروکلریک توسط خود اکسیداسیون و کاهش کاتیون هیدروژن به منظور تشکیل کلرید روی انجام می‏گیرد.
Ca(s) + H2O ➝ Ca(OH)2 + H2(g(
این واکنش شکسته شده و ما واکنش زیر را به دست می‏آوریم:
Ca + H2O ➝ Ca+(OH) + H0
Ca+(OH) + H0 + H2O ➝ Ca(OH)2 + H2
در این‏جا، کلسیم واکنش‏پذیرتر از هیدروژن می‏باشد. این جانشینی هیدروژن از آب به منظور تشکیل کلسیم هیدروکسید صورت می‏گیرد. کلسیم دستخوش اکسیداسیون قرار گرفته وکاتیون هیدروژن کاهش می‏یابد.
Fe(s) + CuSO4(aq) ➝ FeSO4 + Cu(s)
در این‏جا آهن واکنش‏پذیرتر از مس می‏باشد. مس موجود در سولفات مس تحت اکسیداسیون جایگزین شده و کاهش کاتیون مس به منظور تشکیل سولفات آهن صورت می‏گیرد. همچنان که مس از محلول به صورت رسوب خارج می‏شود، رنگ آبی روشن خود را از دست می‏دهد.
Zn(s) + AgNO3(aq) ➝ 2 Ag(s) + Zn(NO3)2(aq)
تجزیه‏ی این واکنش منجر به معادله‏ی زیر می‏گردد:
Zn + AgNO3 ➝ Zn+NO3 + Ag0
Zn+NO3 + Ag0 + AgNO3 ➝ Zn(NO3)2+ 2Ag0
در این‏جا، فلز روی واکنش‏پذیرتر از نقره می‏باشد. نقره از نیترات نقره توسط اکسیداسیون جانشین شده و کاهش کاتیون نقره به منظور تشکیل نیترات روی صورت می‏گیرد.
واکنش جانشینی آنیون
در این نوع واکنش، یک آنیون (یون با بار مثبت) با آنیون دیگر که در ترکیب وجود دارد، جایگزین می‏گردد.
P + [Q]+[R]- ➝ R + [Q]+[P]-
در این جا یک آنیون -P جایگزین آنیون دیگر R- می‏گردد.
این واکنش‏ها نیز به عنوان واکنش‏های ردوکس در نظر گرفته می‏شوند، چون احیاء همزمان یک واکنش‏دهنده و اکسیداسیون دیگری وجود دارد. -P الکترون به دست می‏آورد و تحت واکنش احیاء قرار می‏گیرد، در حالی که R- الکترون‏های خود را می‏بخشد و تحت واکنش اکسیداسیون قرار می‏گیرد.
هالوژن‏ها عناصری با الکترونگاتیو بالا هستند. این عناصر الکترون را به آسانی به دست می‏آورند و به آسانی الکترون از دست می‏دهند، که این امر اشاره به واکنش‏پذیری این عناصر دارد. واکنش‏پذیری هالوژن‏ها در زیر نشان داده شده است.
F > Cl > Br > I
مثال‏هایی از واکنش جانشینی آنیونی
Cl2(g) + NaBr(aq) ➝ 2NaCl(aq) + Br2(g(
تجزیه‏ی این واکنش، منجر به معادله‏ی زیر می‏گردد:
Cl2 + NaBr ➝ NaCl + Br- + Cl0
NaCl + Br- + Cl0 + NaBr ➝ 2NaCl + Br2
از آن‏جا که کلر واکنش‏پذیرتر است، کلر جانشین برم از سدیم برمید می‏گردد، تحت واکنش احیاء قرار گرفته و اکسیداسیون آنیون برم به منظور تشکیل سدیم کلرید صورت می‏گیرد.
Br2(g) + NaI(aq) ➝ 2NaBr(aq) + I2(g)
تجزیه‏ی این واکنش منجر به واکنش زیر می‏گردد:
Br2 + NaI ➝ NaBr + Br- + I0
NaBr + Br- + I0 + NaI ➝ 2NaBr+ I2
از آن‏جایی که برم واکنش‏پذیرتر است، برم با فلز ید از سدیم یدید جانشین می‏گردد. این واکنش احیاء می‏باشد و اکسیداسیون یدید آهن به منظور تشکیل سدیم برمید صورت می‏گیرد.
Br2(g) + 2KI(aq) ➝ 2KBr(aq) + I2(g)
تجزیه‏ی این واکنش، منجر به واکنش زیر می‏گردد:
Br2 + KI ➝ KBr + Br- + I0
KBr + Br- + I0 + KI ➝ 2KBr+ I2
از آن‏جا که برم واکنش‏پذیرتر است، جانشین ید از پتاسیم یدید می‏گردد. این واکنش احیاء می‏باشد و اکسیداسیون آهن یدید به منظور تشکیل پتاسیم برمید صورت می‏گیرد.
هر دوی واکنش‏های جانشینی آنیون و کاتیون واکنش‏هایی برگشت ناپذیر هستند که در آن آهن یا اتم واکنش‏پذیرتر جایگزین یون‏ها یا اتم‏های با واکنش‏پذیری کمتر می‏گردند.