تفاعلات الإزاحة في الكيمياء

في الكيمياء تعد تفاعلات الإزاحة (Displacement Reaction) عبارة عن أحد أنواع التفاعلات الكيميائية، حيث يتم فيه استبدال جزء من المادة المتفاعلة بمادة متفاعلة أخرى، كما ويُعرف تفاعل الإزاحة أيضًا باسم تفاعل الاستبدال أو تفاعل التبادل، كما أن هناك نوعان من تفاعلات الإزاحة وهما تفاعل الإزاحة الأحادي (Single Displacement Reactions) وتفاعل الإزاحة الثنائي (Double Displacement Reactions).

تفاعلات الإزاحة

• في الكيمياء تفاعلات الإزاحة هو عبارة عن تفاعلات كيميائية يقوم فيها العنصر الأكثر تفاعلاً بإزاحة العنصر الأقل تفاعلاً من مركبه، حيث تشارك كل من المعادن وغير المعادن في تفاعلات الإزاحة، مثل ما يحدث أثناء تفاعل مسامير الحديد بمحلول من كبريتات النحاس.

• والآن كيف ترتبط التفاعلات الكيميائية للمعادن بموقعها في السلسلة الكهروكيميائية؟ إن التفاعل الكيميائي للمعادن يرتبط بمواقعها النسبية في سلسلة النشاط الكيميائي، حيث أنه تتمتع بعض المعادن بالقدرة على إزاحة بعض المعادن من المحاليل المائية لأملاحها، ومن الممكن للمعدن الذي يتم وضعه في مكان أعلى في سلسلة النشاط أن يحل محل المعدن الذي يحتل موقعًا أقل من المحلول المائي لملحها، كما أنه لا يقتصر تفاعل الإزاحة على المعادن فقط. حتى اللافلزات يمكن أن تشارك في هذه التفاعلات.

• مثلا لنأخذ مجموعة الهالوجينات في الجدول الدوري كمثال: سلسلة نشاط الهالوجين هي كالتالي: F> Cl> Br> I.

• تتضمن تفاعلات الإزاحة معدنًا ومركبًا من معدن مختلف، حيث أنه سوف يقوم المعدن الأكثر تفاعلًا بإزاحة معدن أقل تفاعلًا من مركباته، ومن الممكن رؤية تفاعلات الإزاحة بسهولة عندما يكون ملح المعدن الأقل تفاعلًا في المحلول، إذ أنه أثناء التفاعل يختفي المعدن الأكثر تفاعلًا تدريجيًا؛ لأنه يشكل محلولًا ويغطي المعدن الأقل تفاعلًا سطح المعدن الأكثر تفاعلًا، وعلى سبيل المثال يعد عنصر المغنيسيوم أكثر تفاعلًا من عنصر النحاس، وعندما يتم غمس قطعة من المغنيسيوم في محلول كبريتات النحاس الأزرق يتلاشى اللون الأزرق مع تشكل محلول كبريتات المغنيسيوم عديم اللون ،والنحاس البني يكسو سطح المغنيسيوم.

• فيما يلي معادلات التفاعل السابق: مغنيسيوم + كبريتات النحاس ← كبريتات المغنيسيوم + نحاس

                                                Mg + CuSO₄ → MgSO₄ + Cu

وفي الحقيقة أنه لا يظهر أي رد فعل إذا قمت بالأشياء في الاتجاه المعاكس، أي أنه بمعنى آخر إذا قمت بوضع مسحوق النحاس في محلول كبريتات المغنيسيوم لن تحدث الإزاحة؛ وذلك لأن النحاس ليس تفاعليًا بدرجة كافية لإزاحة عنصر المغنيسيوم من كبريتات المغنيسيوم.

تفاعلات الإزاحة الأحادية

• لاحظ النقطة التالية وهي نقطة مهمة:  الشيء المهم الذي يجب أن تذكره مع تفاعل الإزاحة الفردي أو الأحادي هو أن العناصر التي تشكل الكاتيونات (الأيون الموجب) يمكنها فقط إزاحة الكاتيونات والعناصر التي تشكل الأنيونات (الأيون السالب) يمكنها فقط إزاحة الأنيونات.

• يتم تصنيف تفاعل الإزاحة الأحادي إلى نوعين وهما: تفاعل استبدال الأنيون وتفاعل استبدال الكاتيون.

(أ) تفاعل استبدال الكاتيون

• في هذا التفاعل يحل الكاتيون محل كاتيون آخر من المحلول، والكاتيون هو أيون أو معدن موجب الشحنة، علما أن جميع تفاعلات إزاحة المعادن هي عبارة عن تفاعلات استبدال الكاتيونات، وهناك بعض الأمثلة على تفاعلات استبدال الكاتيونات منها: التفاعل الذي تم ذكره سابقاً، إذ تم وضع شريط من معدن المغنيسيوم في محلول من كبريتات النحاس يختفي اللون الأزرق لكبريتات النحاس ويتحول معدن المغنيسيوم إلى اللون البني مع ترسيب النحاس المزاح عليه، وذلك بسبب سلسلة النشاط الكيميائي، أيضًا المعادن مثل: معدن الحديد (Fe) ومعدن الزنك (Zn) ومعدن الألمنيوم (Al) ومعدن الرصاص (Pb)، إلخ تحل محل النحاس من محلول ملح النحاس، كما ويمكن أن يتم كتابة التفاعل الكيميائي على النحو التالي:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

2Al+ 3CuSO₄ → Al2(SO₄₎₃+  3Cu

Pb + CuSO₄ → PbSO₄ + Cu

• يزيح الحديد الرصاص من المحلول المائي لنترات الرصاص كما في المعادلة التالية:

Fe + Pb(NO3)2 → Fe(NO3)2 + Pb

• وبالمثل فإن المعادن الموجودة فوق الهيدروجين في سلسلة التفاعلية تزيح الهيدروجين من الأحماض المخففة، على سبيل المثال: المعادن مثل البوتاسيوم والصوديوم والليثيوم وغيرها تتفاعل بقوة أكبر مع الأحماض المخففة مكونة الأملاح المعدنية وغازات الهيدروجين.

• تتفاعل المعادن مثل الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم والحديد وما إلى ذلك بأمان مع الأحماض المخففة.

Zn (s) + H2SO4 (g) → ZnSO4 (s) + H2

Mg (s) + 2HCl (aq) → MgCl₂ (aq) + H₂ (g)

• تفاعل الزنك مع حمض H2SO4 المخفف، وغالبًا ما يستخدم في المختبر لتحضير غاز الهيدروجين، أما إذا تمت إضافة معدن أقل تفاعلًا إلى محلول ملح لمعدن أكثر تفاعلًا فلن يحدث شيء.

(ب) تفاعلات استبدال الأنيون

في هذا التفاعل يحل أنيون واحد محل آخر من محلوله، والأنيون هو أيون سالب الشحنة أو غير معدني، وعلى سبيل المثال يحل الهالوجين الأكثر تفاعلًا محل الهالوجين الأقل تفاعلًا من محلوله.

يزيح الكلور البروم من محلول مائي من بروميد الصوديوم كما في التفاعل التالي:

Cl₂(aq) + 2NaBr(aq) → 2NaCl(aq) + Br₂(aq)

البروم يحل محل عنصر اليود من محلول يوديد البوتاسيوم كما في المعادلة التالية:

Br₂ + 2KI → I₂ + 2KBr

يعمل الهالوجين الأكثر تفاعلًا على إزاحة جميع الهالوجينات الأخرى من محاليل أملاحها، ولا يتم إزاحته بنفسه بواسطة أي من المركبات الأخرى، كما أن الهالوجين الأقل تفاعلًا لا يزيح أيًا من الآخرين، ويتم تهجيره من قِبل الآخرين، كما أنه لا يهم ما إذا كنت تستخدم أملاح الصوديوم أو أملاح البوتاسيوم فهي تعمل بنفس الطريقة لكلا النوعين.

تفاعلات الإزاحة الثنائية

تفاعلات الإزاحة المزدوجة هي تفاعلات حيث تقوم الكاتيونات والأنيونات في المواد المتفاعلة بتبديل الشركاء لتشكيل المنتجات كما في المعادلة التالية:

AB + CD → AD + CB

في هذا التفاعل إن كلا من المادة A والمادة C يكونان عبارة عن أيونات موجبة الشحنة، بينما كلا من المادة B والمادة D يكونان عبارة عن أيونات سالبة الشحنة، كما وتحدث تفاعلات الاستبدال المزدوج بشكل عام بين المواد الموجودة في محلول مائي، وأيضا من أجل حدوث هذا التفاعل عادةً ما يكون أحد المنتجات عبارة عن راسب إما صلب أو غاز أو حتى مركب جزيئي مثل الماء.

مثال على ذلك هو التفاعل بين نترات الفضة وكلوريد الصوديوم لتكوين كلوريد الفضة ونترات الصوديوم:

AgNO₃ + NaCl → AgCl + NaNO₃

وهناك ثلاثة أنواع للتفاعلات الإزاحة المزدوجة:

• تشكيل راسب: حيث يتكون الراسب في تفاعل الاستبدال المزدوج عندما تتحد الكاتيونات من أحد المواد المتفاعلة مع الأنيونات من المادة المتفاعلة الأخرى لتكوين مركب أيوني غير قابل للذوبان، ومثال على ذلك عندما يتم خلط المحاليل المائية من يوديد البوتاسيوم ونترات الرصاص (II) يحدث التفاعل التالي:

2KI (aq)+Pb(NO3)2 (aq)→2KNO3 (aq)+PbI2 (s)

علما أن هناك قوى جذب قوية جدًا تحدث بين أيونات الرصاص (+Pb2) والنتيجة هي راسب أصفر لامع يبقى المنتج الآخر للتفاعل نترات البوتاسيوم قابل للذوبان.

• تكوين غاز: تنتج بعض تفاعلات الاستبدال المزدوج منتجًا غازيًا يخرج بعد ذلك من المحلول ويتسرب إلى الهواء، عندما يتم خلط محاليل كبريتيد الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك تكون نواتج التفاعل هي كلوريد الصوديوم المائي وغاز كبريتيد الهيدروجين كما في التفاعل التالي:

Na2S (aq)+2HCl (aq)→2NaCl (aq)+H2S (g)

• تكوين مركب جزيئي: وهو نوع آخر من تفاعل الاستبدال المزدوج وهو النوع الذي ينتج مركبًا جزيئيًا كأحد منتجاته، وهناك العديد من الأمثلة في هذه الفئة وهي التفاعلات التي تنتج الماء، عندما يتفاعل حمض الهيدروكلوريك المائي مع هيدروكسيد الصوديوم المائي فإن المنتجات هي كلوريد الصوديوم المائي والماء كما في التفاعل التالي:

HCl (aq)+NaOH (aq)→NaCl (aq)+H2O (l)