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Chimie
Cours : Chimie > Chapitre 3
Leçon 5: Différents types de réactions chimiquesRéactions de déplacement simple
Définition d'une réaction de déplacement simple. Prévoir et déterminer les produits obtenus en utilisant les séries de réactivité.
Qu'est-ce qu'une réaction de déplacement simple ?
Une réaction de déplacement simple, aussi appelée parfois réaction de remplacement simple ou réaction de substitution, est une réaction au cours de laquelle un élément est remplacé par un autre dans un composé. Les réactifs de départ sont toujours un corps simple, tel que le zinc métallique ou le dihydrogène gazeux, et un composé aqueux. Une réaction de déplacement simple conduit à la formation d'un nouveau composé aqueux et d'un autre corps simple. L'équation bilan générale d'une réaction de déplacement simple est donnée ci-dessous.
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, C, o, r, p, s, space, p, u, r, s, space, !, end text, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, end color #11accd
Selon cette équation bilan, start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 est remplacé par start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 dans le composé start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text pour former un nouveau composé start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text et le corps simple start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39. Au départ, l'élément start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 se trouve sous la forme d'un ion en solution, alors qu'il apparaît sous forme d'un corps simple du côté des produits. C'est l'inverse pour l'élément start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 : il se trouve sous la forme d'un corps simple du côté des réactifs puis il apparaît sous forme ionique en solution aqueuse dans le composé start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis.
Cette définition est illustrée par la réaction suivante :
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
space, space, space, space, start color #ca337c, start text, S, o, l, u, t, i, o, n, end text, end color #ca337c
start color #ca337c, start text, l, i, m, p, i, d, e, comma, space, i, n, c, o, l, o, r, e, end text, end color #ca337c
Vous avez sûrement remarqué que les produits de la réaction ci-dessus ne sont pas précisés. En effet, il est possible qu'aucune réaction n'ait lieu ! On va voir dans un autre paragraphe comment prédire qu'une réaction a lieu ou non et comment déterminer les produits qui pourraient se former. En attendant, on peut commencer à réfléchir à ce qu'il se passe en se basant sur des observations.
En réalité, à quoi ressemble cette réaction ?
Dans une solution limpide et incolore de nitrate d'argent (I), on fait tomber un fil de cuivre à l'aspect brillant.
La solution vire alors au bleu aigue-marine, et le fil de cuivre devient gris et flou. Sympa !
Comment expliquer ce phénomène grâce à la chimie ?
Déterminer les produits d'une réaction de déplacement simple
Lorsqu'on veut savoir si une réaction de déplacement simple a lieu, on doit se poser deux questions essentielles :
1. Quels sont les deux éléments qui vont échanger leurs places dans cette réaction ?
En général, les éléments qui forment des anions vont remplacer l'anion du composé, et les éléments qui forment des cations vont remplacer le cation du composé. Les consignes suivantes permettent de déterminer le type d'ions qu'un élément donné peut former.
- Les métaux forment généralement des cations. Cela concerne les éléments des groupes 1 et 2 du tableau périodique, certains éléments des groupes 13 et 14 ainsi que les métaux de transition.
- Les non-métaux qu'on retrouve couramment dans les réactions de déplacement simple font partie du groupe 17 et ils forment généralement des anions de charge -1.
- Dans une réaction de déplacement simple, l'hydrogène forme habituellement le cation start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript.
Au cours de la réaction entre le cuivre métallique et la solution aqueuse de nitrate d'argent (I), le cuivre métallique va sûrement réagir pour former des cations cuivre puisqu'il s'agit d'un métal de transition. Les cations cuivre vont alors remplacer les cations argent dans le composé start text, A, g, end text, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis pour former un nouveau composé.
2. Quel nouveau composé sera formé au cours de la réaction ?
Dès qu'on connaît l'élément qui va être remplacé dans le composé ionique, on peut prédire quels produits seront formés. Dans cet exemple, les atomes d'argent dans 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 sont remplacés par le cuivre pour former 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. Simultanément, l'argent réapparaît sous la forme du corps simple start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, left parenthesis, s, right parenthesis. L'équation bilan complète—et équilibrée !—est la suivante :
Ces résultats correspondent-ils aux observations ? Il s'avère qu'une solution aqueuse 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 est de couleur bleu-vert, ce qui explique le changement de couleur observé. Le duvet gris qui se forme sur le cuivre est en réalité de l'argent métallique qui se dépose à la surface du fil.
Quelles autres mesures pourrait-on réaliser pour vérifier ces conclusions ?
Prédire si une réaction de déplacement simple a lieu
Dès qu'on connaît les éléments qui vont être intervertis dans la réaction de déplacement simple, on peut prédire si la réaction va avoir lieu à partir des réactivités relatives des deux éléments—les éléments start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 et start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 du schéma général du début de l'article, ou le cuivre et l'argent dans l'exemple ci-dessus. Si l'élément start text, C, end text est plus réactif que l'élément start text, A, end text, alors start text, C, end text va remplacer start text, A, end text dans le composé. Si l'élément start text, C, end text est moins réactif que l'élément start text, A, end text, alors il n'y aura pas de réaction.
Les séries de réactivité—aussi appelées séries d'activité—classent les éléments par ordre de réactivité pour un type de réaction donné, dont les réactions de déplacement simple. Les éléments les plus réactifs remplacent les moins réactifs de la série de réactivité, et jamais l'inverse. Il existe des classements distincts pour les éléments qui forment des cations et ceux qui forment des anions.
Pour les éléments qui ont tendance à gagner des électrons pour former des anions, l'ordre de réactivité, du plus réactif au moins réactif, est le suivant :
Pour se rappeler l'ordre de réactivité de ces éléments, on regarde leur place dans le tableau périodique—groupe 17— : plus la position de l'élément est élevée dans le colonne, plus il est réactif. A partir de cette série de réactivité, on peut prédire que start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript remplacerait start text, I, end text, start subscript, 2, end subscript dans une réaction de déplacement simple, mais que start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript ne réagirait jamais avec un composé contenant des ions fluorures.
Pour les éléments susceptibles de former des cations, les séries de réactivité sont plus longues et ne sont pas aussi simples à retenir. Un exemple de série de réactivité de cations est donné ci-dessous.
Étudier la réactivité est assez compliqué ! Après tout, il existe beaucoup de types de réaction différents. Alors, quel type de réactivité est-on vraiment en train de classer ici ? Les séries de réactivité prennent en compte diverses propriétés telles que la réactivité avec l'eau ou les acides, ou encore la capacité d'un élément à perdre des électrons pour former des cations. Comme il existe différentes façons de définir la réactivité, on rencontre des classements d'éléments différents selon le manuel de cours utilisé ou l'enseignant. Dans cet article, on utilisera la série de réactivité ci-dessus comme référence pour résoudre les exemples.
On utilise les séries de réactivité des cations et des anions de la même façon :
Les éléments les plus réactifs remplacent les éléments les moins réactifs dans un composé.
On revient sur l'expérience mettant en jeu la réaction entre start text, A, g, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis et un fil de cuivre. Dans la série de réactivité des cations, le cuivre est situé au dessus de l'argent. On s'attend donc à ce que le cuivre soit plus réactif que l'argent dans une réaction de déplacement simple. On en déduit que start text, A, g, end text, start superscript, plus, end superscript sera remplacé par start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript dans un composé, ce qui correspond bien aux résultats obtenus. Super !
Exemple : Prédire les produits d'une réaction de déplacement simple
Soit la réaction suivante :
La première question qu'on se pose est de savoir quel élément sera remplacé par start text, M, g, end text dans le composé start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript. start text, A, l, end text est un métal qui forme généralement des cations de charge 3+. En effet, start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript est neutre et le phosphate porte une charge 3-, donc le cation aluminium doit forcément avoir une charge 3+. Comme start text, M, g, end text est aussi un métal qui forme des cations, on s'attend à ce que start text, M, g, end text remplace le métal start text, A, l, end text dans le composé. En regardant la série de réactivité des cations, on s'aperçoit que le magnésium est plus réactif que l'aluminium, donc on peut affirmer qu'une réaction de déplacement simple va avoir lieu.
Quels produits s'attend-on à obtenir dans cette réaction de déplacement simple ? On s'attend à former le corps simple élémentaire start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis et le nouveau composé ionique 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.
On en déduit la réaction suivante :
On n'a pas encore fini puisque l'équation bilan n'est pas équilibrée. On multiplie start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript par deux et start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis par trois du côté des réactifs, et start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis par deux du côté des produits. On obtient alors l'équation bilan équilibrée :
À retenir
L'équation bilan générale d'une réaction de déplacement simple est la suivante :
où un élément est remplacé par un autre élément dans un composé pour former un nouvel élément et un nouveau composé.
Sur les réactions de déplacement simple, il faut aussi retenir les points suivants :
- Les éléments qui ont tendance à former des cations—habituellement des métaux ou le dihydrogène gazeux—vont se substituer au cation dans le composé, et les éléments qui sont susceptibles de former des anions—généralement les halogènes du groupe 17—vont remplacer les anions dans un composé.
- Un élément plus élevé dans le classement d'une série de réactivité est plus réactif dans une réaction de déplacement simple. Une réaction de déplacement simple aura lieu lorsqu'un élément peu réactif est remplacé dans un composé par un élément plus réactif .
À vous de jouer !
Exercice 1
Quels sont les produits de cette réaction de déplacement simple ?
Exercice 2
Quels réactifs doit-on ajouter à une solution aqueuse de start text, C, u, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript pour obtenir un précipité de cuivre métallique ?
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Comment resoudre un probème dosage(0 vote)