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Reações de simples troca

Definição de reações de substituição simples (ou simples troca). Aprenda a prever e determinar os produtos usando as séries de reatividade. 

O que é uma reação de substituição simples?

Uma reação de substituição simples, às vezes chamada de reação de deslocamento simples, é uma reação na qual um elemento é substituído por outro elemento em um composto. Os materiais iniciais são sempre elementos puros, tais como zinco metálico puro ou gás hidrogênio, mais um composto aquoso. Quando uma reação de substituição ocorre, um novo composto aquoso e um elemento puro diferente serão gerados como produtos. O padrão geral de uma reação de substituição simples é mostrada abaixo.
start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, right arrow, start color #df0030, start text, A, end text, end color #df0030, plus, start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis
space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, \downarrow, space, space, space, space, \downarrow, space, space, space, space, space, space, space, space, space
start color #11accd, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start text, E, l, e, m, e, n, t, o, s, space, p, u, r, o, s, !, end text, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, end color #11accd
Podemos ver que start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 é substituído por start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 no composto start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text para gerar um novo composto start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text e um elemento start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39. Um outra coisa que você pode notar é que start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 inicia como um íon em solução, mas aparece em sua forma elementar do lado dos produtos. O reagente start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 faz o contrário: ele começa na forma elementar no lado dos reagentes, mas termina como um íon em solução aquosa como parte do composto start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis.
Vamos tentar entender essa definição com um exemplo de reação.
start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #1fab54, start text, C, u, end text, end color #1fab54, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, space, space, start text, question mark, end text
space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, \downarrow
start color #ca337c, start text, S, o, l, u, ç, a, with, \~, on top, o, space, L, ı, with, \', on top, m, p, i, d, a, end text, end color #ca337c
space, space, space, space, space, start color #ca337c, start text, e, space, I, n, c, o, l, o, r, end text, end color #ca337c
Você provavelmente percebeu que os produtos da reação acima não foram especificados ainda. Na verdade, é possível que a reação não ocorra de forma alguma! Iremos descobrir na próxima seção se podemos prever se esta reação ocorre e quais produtos ela pode formar. Por enquanto, podemos usar nossas habilidades observacionais aguçadas para começar a pensar sobre o que está acontecendo.
Mudança de cor e formação de precipitado? Parece uma reação química! Créditos da Imagem: Toby Hudson do Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 AU
Como é esta reação na vida real?
Começamos com uma solução límpida e incolor de nitrato de prata(l). Depois, mergulhamos um fio de cobre brilhante. A solução fica azul turquesa, e o fio de cobre começa a ficar cinza e com aparência de penugem. Muito legal!
Agora vamos tentar explicar este fenômeno usando química.

Determinando os produtos de reações de substituição simples

Se estamos tentando descobrir se uma reação de substituição simples ocorrerá, há duas questões principais que precisamos responder.
1. Quais são os dois elementos que podem trocar de lugar na reação proposta?
Em geral, os elementos que formam ânions podem substituir o ânion de um composto, e os elementos que formam cátions podem substituir o cátion de um composto. As seguintes diretrizes podem ser usadas para determinar que tipos de íons um determinado elemento poderá formar.
  • Metais normalmente formarão cátions. Isto inclui os elementos grupos 1 e 2, alguns do grupo 13 e 14 e os elementos de transição.
  • Os não metais comuns em uma reação de substituição simples são os elementos do grupo 17, que geralmente formam ânions com carga -1.
  • O Hidrogênio normalmente forma o cátion start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript em uma reação de substituição simples.
Em nossa reação com o metal de cobre e o nitrato de prata(I) aquoso, o metal de cobre vai provavelmente reagir para formar cátions de cobre porque ele é um metal de transição. Os cátions de cobre podem substituir os cátions de prata no composto start text, A, g, end text, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis para formar um composto novo.
2. Qual é o novo composto que irá formar-se como um produto ?
Uma vez que sabemos qual elemento poderá ser substituído em nosso composto iônico, podemos prever quais produtos podem ser formados. Neste exemplo, os átomos de prata do start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis podem ser substituídos pelos átomos de cobre para formar start color #1fab54, start text, C, u, end text, end color #1fab54, left parenthesis, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis. No processo, prata na forma elementar, start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, left parenthesis, s, right parenthesis, também seria formada como um produto. Podemos escrever a reação completa — e balanceada! — como segue:
2, start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #1fab54, start text, C, u, end text, end color #1fab54, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, start color #1fab54, start text, C, u, end text, end color #1fab54, left parenthesis, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, 2, start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, left parenthesis, s, right parenthesis
Isso corresponde às nossas observações? Acontece que as soluções aquosas de start text, C, u, end text, left parenthesis, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript são azul esverdeado, o que explicaria a mudança de cor da solução. A "penugem" cinza que cresce ao redor do cobre seria resultante do metal de prata precipitando-se na superfície do fio.
Você consegue pensar em outras medidas que podemos realizar para verificar nossas conclusões?

Prevendo se uma reação de simples troca vai ocorrer

Uma vez que sabemos quais elementos podem ser trocados em nossa reação de deslocamento simples, podemos prever se a reação ocorrerá com base no conhecimento das reatividades relativas dos dois elementos — elementos start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 e start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 no padrão genérico acima, ou cobre e prata na nossa reação de exemplo. Se o elemento start text, C, end text é mais reativo do que o elemento start text, A, end text, start text, C, end text substituirá start text, A, end text em um composto. Se o elemento start text, C, end text é menos reativo do que elemento start text, A, end text, então não haverá nenhuma reação.
As séries de reatividade—também chamadas de séries de atividade—lista os elementos em ordem, de acordo com a sua reatividade para certos tipos de reação, incluindo as reações de substituição simples. Seguindo a série de reatividade, os elementos mais reativos irão substituir os elementos menos reativos, mas o inverso não ocorre. Há séries separadas para elementos que formam cátions e para elementos que formam ânions.
Para os elementos que tendem a ganhar elétrons para formar ânions, a ordem decrescente de reatividade é a seguinte:
start color #1fab54, start text, M, a, i, s, space, r, e, a, t, i, v, o, end text, end color #1fab54, space, space, space, space, space, start text, F, end text, start subscript, 2, end subscript, is greater than, start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, is greater than, start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript, is greater than, start text, I, end text, start subscript, 2, end subscript, space, space, space, space, space, start color #e84d39, start text, M, e, n, o, s, space, r, e, a, t, i, v, o, end text, end color #e84d39
Para estes elementos, você pode também olhar suas posições na tabela periódica — grupo 17 — para lembrar a ordem de reatividade. Quanto mais alta a posição de um elemento na coluna, mais reativo ele será. Baseado nesta série de reatividade, preveríamos que start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript substituiria start text, I, end text, start subscript, 2, end subscript em uma reação de substituição simples, mas start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript não reagiria com um composto contendo íons fluoreto.
Para os elementos que formam cátions, a série de reatividade é mais longa, sendo que as tendências não são tão diretas. Você pode ver um exemplo de série de reatividade de cátions abaixo.
Reatividade é bem complicada! Afinal de contas, há muitos tipos diferentes de reações, então, qual tipo de reatividade estamos realmente classificando aqui? Algumas propriedades que são levadas em consideração na fila de reatividade incluem a reatividade com a água e com ácidos, bem como a prontidão com que um elemento perde elétrons para formar cátions. Entretanto, como consequência das diversas formas pelas quais a reatividade pode ser definida, você poderá ver elementos classificados de diversas formas dependendo de seu professor ou do livro didático. Neste artigo, vamos usar a fila de reatividade acima como nossa referência na solução de nossos exemplos.
O processo de utilizar a fila de reatividade é o mesmo, tanto para cátions quanto para ânions:
Elementos mais reativos vão substituir os elementos menos reativos em um composto.
Vamos voltar ao nosso experimento que combina start text, A, g, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis com o fio de cobre. Na fila de reatividade de cátions, vemos que o cobre tem classificação mais alta que a prata, então, nossa previsão é que o cobre seja mais reativo que a prata em uma reação de simples troca. Portanto, nossa previsão é de que start text, A, g, end text, start superscript, plus, end superscript será substituído pelo start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript em um composto, o que combina com nossos resultados. Viva!

Exemplo: Prevendo os produtos de uma reação de simples troca

Vamos considerar a seguinte reação:
start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow
A primeira pergunta que podemos fazer é qual elemento o start text, M, g, end text pode estar substituindo no composto start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript. start text, A, l, end text é um metal que normalmente forma cátions com carga +3. Podemos verificar isto porque start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript é neutro e o fosfato tem uma carga -3, então o cátion alumínio deve ter uma carga +3. Uma vez que o start text, M, g, end text também é um metal que forma cátions, podemos esperar que o start text, M, g, end text substitua o metal start text, A, l, end text em nosso composto. Se verificarmos a série de reatividade do cátion, podemos ver que o magnésio é mais reativo que o alumínio, então prevemos que a reação de substituição simples ocorrerá.
Quais produtos são esperados nesta reação de simples troca? Esperamos que se forme o start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis elementar e o novo composto iônico start text, M, g, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, left parenthesis, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript.
Isso forma a seguinte reação:
start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, start text, M, g, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, start text, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start color #aa87ff, start text, A, v, i, s, o, colon, space, N, a, with, \~, on top, o, space, b, a, l, a, n, c, e, a, d, a, !, end text, end color #aa87ff
Ainda não acabamos uma vez que nossa reação não está ainda balanceada. Podemos ajustá-la multiplicando start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript no lado dos reagentes por dois, o start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis por três e o start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis no lado dos produtos por dois. Isto nos dá a equação balanceada final:
2, start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, 3, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, 2, start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, start text, M, g, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, left parenthesis, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Resumo

As reações de simples troca têm a seguinte forma geral:
start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, right arrow, start color #df0030, start text, A, end text, end color #df0030, plus, start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis
na qual um elemento é substituído por outro elemento em um composto para formar um novo elemento e um novo composto. Outras coisas que devem ser lembradas para uma reação de simples troca, incluem:
  1. Elementos que têm tendência a formar cátions—geralmente metais ou hidrogênio gasoso—vão substituir o cátion em um composto, e elementos que têm tendência a formar ânions—geralmente halogênios, grupo 17— irão substituir ânions em um composto.
  2. Um elemento de classificação mais alta na sequência de atividade é mais reativo em uma reação de simples troca. Prevemos que a reação de simples troca vai ocorrer quando um elemento menos reativo pode ser substituído por um elemento mais reativo em um composto.

Tente!

Problema 1

Quais são os produtos previstos para a seguinte reação de simples troca?
start text, N, a, B, r, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, right arrow
Escolha 1 resposta:
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Problema 2

Se quisermos precipitar metal de cobre a partir de uma solução aquosa de start text, C, u, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, quais dos seguintes reagentes devemos acrescentar a nossa solução?
Escolha 1 resposta:
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  • Avatar blobby green style do usuário luiz.fribeiro4
    como e feito as moleculas
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  • Avatar piceratops ultimate style do usuário Maria Laura Soares
    Fiquei com uma dúvida no último exercício desta publicação. Quando quero precipitar Cobre metálico de uma solução aquosa de CuSO4, posso adicionar Zinco sólido? Eu supunha que o Zinco reagisse apenas na presença de H+ proveniente de ácidos. Obrigada.
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    • Avatar orange juice squid orange style do usuário Lucas Souza Costa
      O princípio básico das reações de simples troca é usar uma substância mais reativa para isolar o componente menos reativo da solução.
      Na questão, para isolar o metal cobre que está em sua forma iônica, é preciso usar um metal mais reativo que ele, que, dentre as opções de metais, é o zinco (Zn). A prata (Ag) não poderia ser porque é MENOS reativa que o cobre, basta olhar a tabela de reatividade e ver que a prata se encontra ABAIXO do cobre.
      O zinco reage com ácidos porque desloca os íons H+ para formar H2, ora; olhando na tabela de reatividade vê-se que o zinco está acima do H2, o que indica que ele é MAIS reativo que o H2.
      Resumindo, o zinco isolaria qualquer metal/hidrogênio em solução aquosa abaixo dele na tabela de reatividade (Hg, Au, Cu, H, etc.) , mas não precipitaria nenhum metal que estivesse acima dele na mesma tabela (Mn, Al, K, etc.).
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