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.

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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Curso: Ciências EF: 9° ano > Unidade 1

Lição 6: Reações químicas

Reações de simples troca

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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.

$A B (a q) + C \to A + C B (a q)$ ‍
$↓ ↓$ ‍
$Elementos puros!$ ‍

Podemos ver que

A

é substituído por

C

no composto

A B

para gerar um novo composto

C B

e um elemento

A

. Um outra coisa que você pode notar é que

A

inicia como um íon em solução, mas aparece em sua forma elementar do lado dos produtos. O reagente

C

faz o contrário: ele começa na forma elementar no lado dos reagentes, mas termina como um íon em solução aquosa como parte do composto

C B (a q)

Quando um elemento iônico se torna um elemento puro, isso indica que um tipo especial de reação aconteceu - uma reação de oxidação-redução, ou redox. Estas reações são nomeadas dessa maneira porque o estado de oxidação de um íon monoatômico é igual à sua carga, enquanto o estado de oxidação de um elemento puro é sempre zero. Portanto, qualquer coisa que vá da forma iônica para um elemento puro - ou vice-versa - deve ter alterado seu estado de oxidação.

Uma vez que os estados de oxidação de

A

C

sempre mudam em uma reação de substituição simples, sabemos que as reações de substituição simples devem também ser reações de oxidação-redução.

Vamos tentar entender essa definição com um exemplo de reação.

$Ag {NO}_{3} (a q) + Cu (s) \to ?$ ‍
$↓$ ‍
$Solução Límpida$ ‍
$e Incolor$ ‍

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.

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 $H^{+}$ ‍ 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

Ag {NO}_{3} (a q)

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

Ag {NO}_{3} (a q)

podem ser substituídos pelos átomos de cobre para formar

Cu ({NO}_{3})_{2} (a q)

. No processo, prata na forma elementar,

Ag (s)

, também seria formada como um produto. Podemos escrever a reação completa — e balanceada! — como segue:

$2 Ag {NO}_{3} (a q) + Cu (s) \to Cu ({NO}_{3})_{2} (a q) + 2 Ag (s)$ ‍

Isso corresponde às nossas observações? Acontece que as soluções aquosas de

Cu ({NO}_{3})_{2}

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

C

A

no padrão genérico acima, ou cobre e prata na nossa reação de exemplo. Se o elemento

C

é mais reativo do que o elemento

A

C

substituirá

A

em um composto. Se o elemento

C

é menos reativo do que elemento

A

, 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:

Mais reativo F_{2} > {Cl}_{2} > {Br}_{2} > I_{2} Menos reativo

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

{Br}_{2}

substituiria

I_{2}

em uma reação de substituição simples, mas

{Br}_{2}

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

{AgNO}_{3} (a q)

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

{Ag}^{+}

será substituído pelo

{Cu}^{2 +}

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:

{AlPO}_{4} (a q) + Mg (s) \to

A primeira pergunta que podemos fazer é qual elemento o

Mg

pode estar substituindo no composto

{AlPO}_{4}

Al

é um metal que normalmente forma cátions com carga +3. Podemos verificar isto porque

{AlPO}_{4}

é neutro e o fosfato tem uma carga -3, então o cátion alumínio deve ter uma carga +3. Uma vez que o

Mg

também é um metal que forma cátions, podemos esperar que o

Mg

substitua o metal

Al

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

Al (s)

elementar e o novo composto iônico

{Mg}_{3} {(PO}_{4})_{2}

Isso forma a seguinte reação:

${AlPO}_{4} (a q) + Mg (s) \to Al (s) + {Mg}_{3} ({PO}_{4})_{2} (a q) Aviso: Não balanceada!$ ‍

Ainda não acabamos uma vez que nossa reação não está ainda balanceada. Podemos ajustá-la multiplicando

{AlPO}_{4}

no lado dos reagentes por dois, o

Mg (s)

por três e o

Al (s)

no lado dos produtos por dois. Isto nos dá a equação balanceada final:

$2 {AlPO}_{4} (a q) + 3 Mg (s) \to 2 Al (s) + {Mg}_{3} {(PO}_{4})_{2} (a q)$ ‍

Resumo

As reações de simples troca têm a seguinte forma geral:

A B (a q) + C \to A + C B (a q)

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:

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.
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.

Créditos:

Este artigo foi adaptado de "Types of Chemical Reactions: Single- and Double-Displacement Reactions", disponível em Beginning Chemistry, CC-BY-NC-SA 3.0.

O artigo adaptado está autorizado sob licença CC-BY-NC-SA 4.0

Outras referências

Brunning, Andy. "The Metal Reactivity Series." Compound Interest. http://www.compoundchem.com/2015/03/10/reactivity-series

McMurry, J. E., e R. C. Fay. "The Activity Series of the Elements." Em General Chemistry: Atoms First, (253-255). 2ª ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, 2014.

Tente!

Problema 1

Quais são os produtos previstos para a seguinte reação de simples troca?

NaBr (a q) + {Cl}_{2} \to

Problema 2

Se quisermos precipitar metal de cobre a partir de uma solução aquosa de ${CuSO}_{4}$ ‍, quais dos seguintes reagentes devemos acrescentar a nossa solução?

Queremos substituir

{Cu}^{2 +}

{CuSO}_{4}

para formarmos

Cu (s)

. Como estamos substituindo o cátion, nosso segundo reagente na reação de substituição simples será um elemento que forma cátions — e tende a ser metal. Está regra elimina o halogênio

I_{2}

como uma das respostas, uma vez que forma o ânion

I^{-}

Também podemos desconsiderar

{AgNO}_{3} (a q)

uma vez que ele não é um elemento puro!

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Maria Laura Soares
Publicado há há 9 anos. Link direto para a postagem “Fiquei com uma dúvida no ...” de 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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- Lucas Souza Costa
  Publicado há há 7 anos. Link direto para a postagem “O princípio básico das re...” de 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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luiz.fribeiro4
Publicado há há 2 anos. Link direto para a postagem “como e feito as moleculas” de luiz.fribeiro4
como e feito as moleculas
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- lucas
  Publicado há há 10 meses. Link direto para a postagem “Olá. As moléculas são for...” de lucas
  Olá. As moléculas são formadas pela ligação covalente de átomos, ou seja, pelo compartilhamento de elétrons entre eles. As moléculas podem ser formadas por átomos do mesmo elemento químico (como O2) ou por átomos de elementos químicos diferentes (como H2O). A fórmula molecular indica o número e o tipo de átomos que compõem uma molécula. Você pode ver alguns exemplos de moléculas no índice 1, que é um vídeo sobre geometria molecular. Você tem alguma dúvida específica sobre as moléculas?
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Luis Novakoski
Publicado há há 7 meses. Link direto para a postagem “Fiquei em duvida, porque ...” de Luis Novakoski
Fiquei em duvida, porque o elemento formado na questão 1 (Br'2') possui elementos sendo que o elemento cujo o substituiu Cl perdeu seu '2'
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