置換反應(yīng)的分類與應(yīng)用

易建康

置換反應(yīng)是無機反應(yīng)中四類常見的反應(yīng)類型之一，是熟練掌握元素化合物知識的重要途徑，也是解析有關(guān)元素及化合物性質(zhì)試題尤其是推斷題的關(guān)鍵入手點。

一、置換反應(yīng)的分類

根據(jù)置換反應(yīng)中參加反應(yīng)的單質(zhì)和生成的單質(zhì)的特點，將置換反應(yīng)分為以下四類：

1.金屬置換金屬

（1）依據(jù)金屬活動順序表，用活潑性較強的金屬置換活潑性較弱的金屬，如Fe+CuSO4FeSO4+Cu。

（2）通過鋁熱反應(yīng)進(jìn)行的置換，如2Al+Fe2O3高溫Al2O3+2Fe。

2.金屬置換非金屬

常見的典型反應(yīng)有：2Na+2H2O2NaOH+H2↑，2Al+6H+2Al3++3H2↑，2Mg+CO2點燃2MgO+C，3Fe+4H2O（g）高溫Fe3O4+4H2等。

3.非金屬置換金屬

主要是還原性的非金屬與金屬氧化物的反應(yīng)，如H2+CuO△Cu+H2O。

4.非金屬置換非金屬

利用非金屬性較強的單質(zhì)與化合物反應(yīng)生成非金屬性較弱的金屬，常見的主要反應(yīng)有：2F2+2H2O4HF+O2、H2S+X22HX+S（其中X代表Cl、Br、I）、2H2S+O22H2O+2S、C+H2O（g）△CO+H2、2C+SiO2高溫Si+2CO↑等。

二、試題解析

例1下列物質(zhì)中不能通過置換反應(yīng)生成的是（ ）。

A.Al2O3 B.F2 C.Fe3O4 D.C

解析Al與難熔金屬氧化物反應(yīng)，即鋁熱反應(yīng)生成Al2O3，F(xiàn)e與水蒸氣反應(yīng)后生成Fe3O4，CO2與Mg反應(yīng)生成C，而F是非金屬性最強的元素，不能通過置換反應(yīng)制得F2。

例2下列關(guān)于置換反應(yīng)：X+Y=W+Z（反應(yīng)條件略去）的描述正確的是（ ）。

A.若X是金屬單質(zhì)，則W和Z中一定有一種物質(zhì)是金屬單質(zhì)

B.若X是非金屬單質(zhì)，則W和Z中一定有一種物質(zhì)是非金屬單質(zhì)

C.若X是含有金屬元素的化合物，則W和Z中一定有一種是含金屬元素的化合物

D.若X是不含金屬元素的化合物，則W和Z中一定有一種是非金屬單質(zhì)

解析根據(jù)置換反應(yīng)的分類，當(dāng)X無論為金屬單質(zhì)還是非金屬單質(zhì)，生成物中的單質(zhì)均可能為金屬或為非金屬。若X是含有金屬元素的化合物，則在W和Z中，不一定有含金屬元素的化合物，如H2+CuO△Cu+H2O。若X是不含金屬元素的化合物，則發(fā)生置換反應(yīng)時，生成物中一定有非金屬單質(zhì)。因此正確答案為D。

例3已知單質(zhì)X與鹽Y的水溶液發(fā)生置換反應(yīng)生成單質(zhì)Z，則下列說法正確的是（ ）。

A.若X是金屬單質(zhì)，則Z一定是金屬單質(zhì)

B.若X是非金屬單質(zhì)，則Z一定是非金屬單質(zhì)

C.若X是金屬單質(zhì)，則Z可能是金屬單質(zhì)，也可能是非金屬單質(zhì)

D.若X是非金屬單質(zhì)，則Z可能是金屬單質(zhì)，也可能是非金屬單質(zhì)

解析由于單質(zhì)X是與鹽Y的水溶液反應(yīng)，因此當(dāng)X為非金屬單質(zhì)時，Z不可能為金屬單質(zhì)。而當(dāng)X為金屬單質(zhì)時，Z可能為金屬單質(zhì)，也可能為非金屬單質(zhì)。此時，解題的關(guān)鍵在于對反應(yīng)的條件的理解，一種情況是與鹽中的水發(fā)生反應(yīng)，如2Na+2H2O2NaOH+H2↑，另一種情況是與酸式鹽反應(yīng)，如Fe與NaHSO4溶液反應(yīng)后可得到H2，因此正確答案為C。

例4X、Y、Z為短周期元素的單質(zhì)，U、V為它們的化合物，這些物質(zhì)之間的關(guān)系如圖1所示，其中反應(yīng)條件和某些產(chǎn)物已經(jīng)略去，試回答如下問題：

（1）如果X、Y的組成元素是同主族的，寫出反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)反應(yīng)方程式：

①若已知V是水：；

②若已知U、V均為氧化物。

（2）如果X、Y的組成元素不同主族時，按下列要求回答問題：

①X組成元素是地殼中含量最多的金屬元素時，則X、Y、Z的化學(xué)式是：X為；Y為；Z為。

②若Y組成元素在自然界中形成的化合物種類最多時，則V、U的化學(xué)式是：V為；U為。

③若Z是通常情況下密度最小的物質(zhì)，則反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)反應(yīng)方程式：。

解析由所給轉(zhuǎn)化關(guān)系圖可知，X與U發(fā)生置換反應(yīng)，由于X、Y的組成元素是同主族，則當(dāng)V為水時，符合條件的反應(yīng)為：2H2S+O22S+2H2O；當(dāng)U、V均為氧化物時，符合條件的反應(yīng)為：SiO2+2C高溫Si+2CO。

地殼中含量最多的金屬元素為Al，又由于X、Y、Z為短周期元素的單質(zhì)，則符合條件的反應(yīng)為：2Al+6HCl2AlCl3+3H2↑，X、Y、Z分別為Al、H2、Cl2；在自然界中形成化合物種類最多的為C，對應(yīng)的反應(yīng)為：2Mg+CO2點燃2MgO+C；V、U分別為MgO、CO2；密度最小的物質(zhì)為H2，符合條件的反應(yīng)方程式為：2F2+2H2O4HF+O2或Cl2+H2S2HCl+S。

例5A、B、C、D、E、F六種物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2所示（反應(yīng)條件未標(biāo)出），其中反應(yīng)①是置換反應(yīng)。

（1）若A、D、F都是非金屬元素，且A、D所含元素同主族，A、F所含元素同周期，則反應(yīng)①的化學(xué)方程式為。

（2）若A是常見的金屬元素，D、F是氣態(tài)單質(zhì)，反應(yīng)①在水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)②（在水溶液中進(jìn)行）的離子方程式是；已知1 g D與F反應(yīng)生成B時放出92.3 kJ的熱量，寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式。

（3）若B、C、F都是氣態(tài)單質(zhì)，且B有毒，③和④兩個反應(yīng)都有水生成，反應(yīng)②需要放電條件才能發(fā)生，A、D相遇有白煙生成，則C的電子式是，反應(yīng)③的化學(xué)方程式是。

（4）若A、D為短周期元素單質(zhì)，且所含元素的原子序數(shù)A是D的2倍，所含元素的原子核外最外層電子數(shù)D是A的2倍，③和④兩個反應(yīng)中都有紅棕色氣體生成，則反應(yīng)④的化學(xué)方程式為。

解析A與B發(fā)生置換反應(yīng)生成C，C與F反應(yīng)生成E，A與F反應(yīng)也能生成E，因此E中應(yīng)含有變價元素。若A、D、F為非金屬元素且A與D為同族，則對應(yīng)的反應(yīng)為：2C+SiO2高溫Si+2CO↑；當(dāng)A為金屬元素時，由于D、F為氣態(tài)且E中有變價元素，符合條件的反應(yīng)為：Fe+2HClFeCl2+H2↑，反應(yīng)②的離子方程式為：Fe2++Cl22Fe3++2Cl-；在放電條件下能發(fā)生反應(yīng)的為N2和O2，相遇產(chǎn)生白煙為NH3和HCl，故A為NH3、B為Cl2、C為N2、D為HCl、F為O2；反應(yīng)方程式略；當(dāng)A、D為短周期元素單質(zhì)，且所含元素的原子序數(shù)A是D的2倍，所含元素的原子核外最外層電子數(shù)D是A的2倍，則反應(yīng)①為2Mg+CO

2點燃2MgO+C，又③和④兩個反應(yīng)中有紅棕色氣體生成，說明有NO2生成，④為C與濃HNO3的反應(yīng)，方程式為：C+4HNO3（濃）△CO2↑+4NO2↑+2H2O。

（收稿日期：2014-10-12）