Réactions de déplacement double

Les réactions de déplacement double —aussi appelées réactions de remplacement double, d'échanges, de métathèse ou encore de substitution couplée— sont des réactions au cours desquelles les anions et les cations de deux composés ioniques s'échangent pour former deux nouveaux composés. L'équation bilan d'une réaction de déplacement double s'écrit formellement de la manière suivante :

Cette réaction consiste à échanger les cations ou les anions, mais pas les deux sinon on obtiendrait les mêmes substances que les substances initiales. Le solvant d'une réaction de déplacement double est généralement l'eau, et les réactifs ainsi que les produits sont habituellement des composés ioniques — mais il peut aussi s'agir d'acides ou de bases.

Soit la réaction de déplacement double suivante :

Dans cet exemple, $\greenD{\text{Ba}^{2+}}$start color #1fab54, start text, B, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, end color #1fab54 et $\maroonD{\text{Na}^+}$start color #ca337c, start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #ca337c sont les cations, et $\greenD{\text{Cl}^-}$start color #1fab54, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #1fab54 et $\maroonD{\text{SO}_4^{2-}}$start color #ca337c, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript, end color #ca337c sont les anions. Lorsqu'on échange les anions, ou les cations, on obtient les produits $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript et $\text{NaCl}$start text, N, a, C, l, end text.

Identifier une réaction de déplacement double est assez simple une fois qu'on a compris son fonctionnement. Il est plus compliqué de prédire si la réaction aura lieu ; mais être capable de reconnaître les types courants de réaction de déplacement double aide beaucoup. Dans cet article, on présente les réactions de précipitation et les réactions de neutralisation.

Une réaction de précipitation correspond à la formation d'un nouveau composé ionique insoluble dans l'eau à partir de deux composés ioniques aqueux. La réaction entre le nitrate de plomb (II) et l'iodure de potassium est un exemple de réaction de précipitation. Les deux composés sont des solides blancs qui peuvent être dissous dans l'eau pour donner des solutions limpides et incolores. Lorsqu'on mélange ces deux solutions incolores, on obtient la réaction suivante :

On obtient un magnifique solide doré à partir de deux solutions incolores ! En réalité, l'image suivante montre un tube à essai dans lequel on a réalisé ce mélange.

Le composé insoluble est appelé le précipité. Le solvant et les composants solubles de la réaction constituent le surnageant. On utilise les règles et les produits de solubilité pour prévoir si une réaction de précipitation peut avoir lieu. C'est le fait même qu'il y a formation d'un précipité solide qui favorise la réaction dans le sens de formation de ce précipité.

Une réaction de neutralisation est un exemple de réaction de déplacement double ayant lieu entre un acide et une base. La réaction suivante illustre une réaction de neutralisation :

Une réaction de neutralisation en solution aqueuse produit en général de l'eau et un nouveau composé ionique, aussi appelé sel. Lorsqu'on essaie de reconnaître une réaction de neutralisation, le plus difficile est d'identifier l'acide et la base qui constituent les réactifs. En présence d'une réaction de neutralisation, si on a un acide fort et/ou une base forte comme réactif, on peut généralement prédire que la réaction est favorisée dans le sens de formation des produits .

La réaction entre la levure chimique — le bicarbonate de sodium, $\text{NaHCO}_3$start text, N, a, H, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript — et le vinaigre — qui est un mélange d'eau et d'acide acétique, $\text{CH}_3 \text{COOH} (aq)$start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis — est une réaction de neutralisation amusante qui produit de l'acide carbonique—$\text{ H}_2\text{CO}_3$start text, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript — et de l'acétate de sodium —$\text{ NaCH}_3 \text{COO}$start text, space, N, a, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, end text. Si vous avez déjà réalisé cette réaction à la maison, vous vous rappelez sûrement avoir observé une forte effervescence. En effet, cette réaction de neutralisation s'accompagne d'une réaction à dégagement gazeux, au cours de laquelle l'acide carbonique se décompose en gaz carbonique — les bulles ! — et en eau.

Il faut savoir que les réactions de déplacement double peuvent être écrites à l'aide des formules brutes des composés ioniques ou sous la forme d'équations ioniques (complètes ou réduites). Dans cet article, on a choisi de les écrire à l'aide des formules brutes, mais il est indispensable de se familiariser avec les écritures des autres formes.

On étudie un exemple dans lequel on ne connaît pas les produits :

Premièrement, on identifie les cations et les anions qui vont être échangés. Il s'agit de $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript et de $\text{Ba}^{2+}$start text, B, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript pour les cations et de $\text{SO}_4^{2-}$start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript et $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscriptpour les anions. Lorsqu'on échange les anions, on obtient les produits $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text et $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript :

Cette réaction de déplacement double est aussi une réaction de neutralisation puisqu'on fait réagir un acide fort, l'acide sulfurique, sur une base forte, l'hydroxyde de baryum. Sous quel état se trouve le sulfate de baryum ? Selon les règles de solubilité, le sulfate de baryum est insoluble, on sait donc qu'il va précipiter. Cela veut dire que cette réaction est aussi une réaction de précipitation ! On le précise en ajoutant le symbole $\blueD{(s)}$start color #11accd, left parenthesis, s, right parenthesis, end color #11accd après la formule brute du produit $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript.

On n'a pas encore fini. L'équation bilan n'est pas équilibrée puisqu'on ne retrouve pas le même nombre d'atomes d'hydrogène et d'oxygène de chaque côté de la flèche. On multiplie donc $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text par $\redD{2}$start color #e84d39, 2, end color #e84d39 pour obtenir l'équation bilan équilibrée :

Les réactions de déplacement double mettent en œuvre deux composés ioniques qui échangent leurs anions ou cations entre eux. Les réactions de précipitation et les réactions de neutralisation sont deux exemples courants de réactions de déplacement double. Une réaction de précipitation conduit à la formation d'un produit insoluble à partir de deux réactifs aqueux, et il est possible de reconnaître ce type de réaction à l'aide des tables de solubilité. Une réaction de neutralisation se produit lorsque les réactifs sont un acide et une base et elle est généralement favorisée dans le sens de la formation des produits lorsqu'elle met en jeu un acide fort et/ou une base forte.