Phản ứng thế là gì? Ví dụ và bài tập thực hành

Phản ứng thế là gì?

Sách giáo khoa Hóa học 8, bài 33 đã định nghĩa rất rõ rằng thế nào là phản ứng thế. Theo đó: “Phản ứng thế là phản ứng hóa học giữa đơn chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất”.

Vậy, phản ứng thế là phản ứng gì? Hiểu một cách đơn giản nhất, hãy tưởng tượng bạn có một nhóm bạn đang chơi trò chơi "đổi chỗ". Một bạn từ bên ngoài (đơn chất) muốn tham gia trò chơi và sẽ đổi chỗ với một bạn đang chơi (nguyên tố trong hợp chất). Cụ thể, ta có phản ứng thế như sau: Kẽm (Zn) + axit clohydric (HCl) → kẽm clorua (ZnCl2) + hydro (H2)

Sản phẩm chính của phản ứng thế là gì? Tuy thuộc vào điều kiện phản ứng mà ta có sản phẩm chính khác nhau, một số quy tắc mà bạn có thể ghi nhớ, bao gồm:

• Quy tắc 1: Trong phản ứng thế giữa kim loại và dung dịch muối, sản phẩm chính là muối mới và kim loại mới.
• Quy tắc 2: Trong phản ứng thế giữa halogen và ankan, sản phẩm chính là dẫn xuất halogen bậc 1.
• Quy tắc 3: Trong phản ứng thế giữa anken và dung dịch HX (HBr, HCl, HI), sản phẩm chính là dẫn xuất halogen theo quy tắc Markovnikov.

Ví dụ phản ứng thế:

$\mathrm{Zn} + 2\mathrm{HCL} \to {\mathrm{ZnCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

Trong phản ứng trên ta có đơn chất kẽm (Zn) phản ứng với hợp chất chất (axit HCL). Sau phản ứng, nguyên tử của đơn chất là Zn đã thay thế hidro trong hợp chất.

Phân loại phản ứng thế và ví dụ minh họa

Nói đến phản ứng thế, ta nhắc đến phản ứng thế trong hóa hữu cơ và phản ứng thế trong hóa học vô cơ.

Phản ứng thế trong hóa học vô cơ

Phản ứng thế trong hóa học vô cơ luôn có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố. Bản chất của phản ứng thế là một phản ứng hóa học, trong đó một nguyên tố có hoạt động hóa học mạnh hơn sẽ thay thế cho các nguyên tố có hoạt động hóa học yếu hơn trong các hợp chất của nguyên tố này, với điều kiện cụ thể về nhiệt độ và áp suất.

Phương trình phản ứng minh họa: A + BX -> AX + B

Phản ứng thế trong hóa học hữu cơ

Phản ứng thế trong các hợp chất hữu cơ được chia thành 3 loại chính, đó là:

• Phản ứng thế ái lực điện tử: Phản ứng thế ái lực điện tử (SE) là một loại phản ứng thế đặc biệt xảy ra trong hóa học hữu cơ, trong đó một tác nhân ái điện tử (E+) tấn công vào một vòng benzen (hoặc hợp chất thơm khác) và thay thế cho một nhóm thế (Y) ban đầu.

• Phản ứng thế ái lực hạt nhân: Phản ứng thế ái lực hạt nhân (SN) là một loại phản ứng thế xảy ra trong hóa học hữu cơ, trong đó một tác nhân ái nucleophile (Nu-) tấn công vào một chất nền (R-X) và thay thế cho nhóm thế (X) ban đầu.

• Phản ứng thế gốc: Phản ứng thế gốc là một loại phản ứng thế đặc biệt xảy ra trong hóa học hữu cơ, trong đó một gốc tự do (R•) tấn công vào một phân tử (RX) và thay thế cho một nhóm thế (X) ban đầu.

Đây là dạng phản ứng thường gặp ở các hydrocacbon no, ký hiệu là S. Đây là dạng phản ứng dây chuyền và muốn khơi mào phản ứng, chúng ta cần phải chiếu sáng hoặc cho thêm các chất dễ phân hủy thành gốc tự do hoạt động vào.

Các bài viết không thể bỏ lỡ

Phản ứng oxi hóa khử: Định nghĩa, phân loại và các dấu hiệu nhận biết

Phản ứng hóa học là gì? Phân loại, điều kiện & bài tập vận dụng

Phản ứng trao đổi ion: Điều kiện xảy ra phản ứng và viết phương trình ion rút gọn

Điều chế hidro phản ứng thế

Trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp, nhiều khi người ta cần dùng khí hidro. Vậy điều chế hidro phản ứng thế như thế nào?

Điều chế hidro trong phòng thí nghiệm

“Trong phòng thí nghiệm, khí hidro được điều chế bằng cách cho axit (HCl hoặc H2SO4 loãng) tác dụng với kim loại kẽm (hoặc sắt hay nhôm)”. (Sách giáo khoa Hóa học 8, NXB Giáo dục Việt Nam).

Cụ thể quá trình điều chế như sau:

• Cho một mảnh kẽm hoặc 2, 3 hạt kẽm (Zn) vào ống nghiệm.

• Rót 2 – 3 ml dung dịch axit clohidric (HCl) vào ống nghiệm đó.

• Tiến hành đậy ống nghiệm lại bằng một nút cao su có ống dẫn khí xuyên qua. Sau khi khử độ tinh khiết, khẳng định dòng khí hidro không có lẫn khí oxi. Lúc này, chúng ta đưa que đom đóm còn tàn đỏ vào đầu ống dẫn khí và thấy que đóm cháy.

Nhỏ tiếp một giọt dung dịch trong ống nghiệm lên mặt kính đồng hồ và đem cô cạn quan sát hiện tượng ta thấy:

• Xuất hiện các bọt khí trên bề mặt mảnh kẽm rồi thoát ra khỏi chất lỏng sau đó mảnh kẽm tan dần.

• Que đóm đóm còn tàn đỏ được đưa vào đầu ống dẫn khí, khí thoát ra không làm cho than hồng bùng cháy nữa.

• Đưa que đóm đang cháy vào đầu ống dẫn khí, khí thoát ra sẽ cháy được trong không khí với ngọn lửa màu xanh nhạt, đó chính là khí hidro.

• Tiến hành cô cạn một giọt dung dịch, ta sẽ thu được một chất rắn màu trắng đó là kẽm clorua (ZnCl2).

Ta có phương trình hóa học điều chế Hidro trong phòng thí nghiệm như sau:

$\mathrm{Zn} + 2\mathrm{HCl} \to {\mathrm{ZnCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

Lưu ý: Có thể thay thế HCl bằng H2SO4 loãng; Zn bằng Fe hoặc Al.

Trường hợp muốn điều chế hidro trong phòng thí nghiệm với một lượng lớn hơn, ta tiến hành các bước như sau:

• Đổ dung dịch axit HCl loãng vào phễu.

• Mở khóa cho dung dịch axit từ phễu chảy xuống lọ và tác dụng với kẽm.

• Thu khí hiđro vào ống nghiệm bằng cách: Hiđro đẩy nước ra khỏi ống nghiệm hoặc hiđro đẩy không khí ra khỏi ống nghiệm.

Điều chế hidro trong công nghiệp

Trong công nghiệp, người ta điều chế khí hidro (H2) bằng 3 cách:

• Điện phân nước.

• Dùng than khử oxi của nước (H2O) trong lò khí than.

• Điều chế H2 từ khí tự nhiên, khí dầu mỏ.

Các dạng bài tập về phản ứng thế

Dưới đây là 2 dạng phản ứng thế mà bạn sẽ thường gặp trong các đề kiểm tra trung học phổ thông.

Dạng 1: Phản ứng thế halogen của ankan

Phản ứng thế halogen của ankan là dạng bài tập phổ biến trong chương Ankan - Hóa học 11. Dạng bài tập này yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức về tính chất hóa học của ankan để giải quyết các vấn đề liên quan đến phản ứng thế halogen của ankan.

Cấu trúc dạng bài tập:

• Đề bài: Cho biết ankan và halogen tham gia phản ứng, có thể cho thêm tỉ lệ mol, điều kiện phản ứng (ánh sáng, nhiệt độ, xúc tác).
• Yêu cầu:
  • Viết phương trình phản ứng.
  • Xác định sản phẩm chính, sản phẩm phụ (nếu có).
  • Tính hiệu suất phản ứng (nếu có).
  • Giải thích cơ chế phản ứng.
  • So sánh tính chất của sản phẩm so với ankan ban đầu.

Phương pháp giải:

• Bước 1: Viết phương trình phản ứng cân bằng.
• Bước 2: Xác định sản phẩm chính, sản phẩm phụ (nếu có).
• Bước 3: Tính hiệu suất phản ứng (nếu có).
• Bước 4: Giải thích cơ chế phản ứng.
• Bước 5: So sánh tính chất của sản phẩm so với ankan ban đầu.

Dạng 2: Bài tập phản ứng thế hidrocacbon

Phản ứng thế hidrocacbon là dạng bài tập phổ biến trong chương Hidrocacbon - Hóa học 11. Dạng bài tập này yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức về tính chất hóa học của hidrocacbon để giải quyết các vấn đề liên quan đến phản ứng thế hidrocacbon.

Cấu trúc dạng bài tập:

• Đề bài: Cho biết hidrocacbon và halogen tham gia phản ứng, có thể cho thêm tỉ lệ mol, điều kiện phản ứng (ánh sáng, nhiệt độ, xúc tác).
• Yêu cầu:
  • Viết phương trình phản ứng.
  • Xác định sản phẩm chính, sản phẩm phụ (nếu có).
  • Tính hiệu suất phản ứng (nếu có).
  • Giải thích cơ chế phản ứng.
  • So sánh tính chất của sản phẩm so với hidrocacbon ban đầu.

Phương pháp giải (các bước thực hiện tương tự dạng 1):

• Bước 1: Viết phương trình phản ứng cân bằng.
• Bước 2: Xác định sản phẩm chính, sản phẩm phụ (nếu có).
• Bước 3: Tính hiệu suất phản ứng (nếu có).
• Bước 4: Giải thích cơ chế phản ứng.
• Bước 5: So sánh tính chất của sản phẩm so với hidrocacbon ban đầu.

Xem thêm: Nguyên tử là gì? Nguyên tử được cấu tạo bởi những hạt nào? 

Bài tập thực hành bài học về phản ứng thế

Những bài tập xoay quanh phản ứng thế dưới đây được Monkey tổng hợp từ sách giáo khoa Hóa học 8 và gợi ý đáp án để các bạn học sinh dễ dàng ôn tập.

Bài 1 (Bài tập 1, Sách giáo khoa Hóa học 8, trang 117)

Những phản ứng hóa học nào dưới đây có thể được dùng để điều chế hidro trong phòng thí nghiệm?

$\mathrm{Zn} + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to {\mathrm{ZnSO}}_4 + {\mathrm{H}}_2.$

$2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to 2{\mathrm{H}}_2 + {\mathrm{O}}_2.$

$2\mathrm{Al} + 6\mathrm{HCl} \to 2{\mathrm{AlCl}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2.$

Gợi ý đáp án:

Dựa vào nội dung bài học về điều chế hidro phản ứng thế ở trên ta có thể nhận thấy dễ dàng thí nghiệm số 1 và số 3 được dùng để điều chế hidro trong phòng thí nghiệm. Ở đây, hiđro được điều chế từ Zn hoặc Al tác dụng HCl hoặc H2SO4 loãng.

Bài số 2 (Bài tập 4 trang 117 SGK Hóa 8)

Trong phòng thí nghiệm hóa học có các kim loại kẽm và sắt, dung dịch HCl và axit H2SO4.

1/ Viết các phương trình hóa học có thể điều chế hiđro;

2/ Phải dùng bao nhiêu gam kẽm, bao nhiêu gam sắt để điều chế được 2.24 lít khí hiđro (đktc)?

Gợi ý đáp án:

1/ Viết phương trình hóa học có thể điều chế hidro:

$\mathrm{Zn} + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to {\mathrm{ZnSO}}_4 + {\mathrm{H}}_2.$

$\mathrm{Zn} + 2\mathrm{HCl} \to {\mathrm{ZnCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2.$

$\mathrm{Fe} + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to {\mathrm{FeSO}}_4+ {\mathrm{H}}_2.$

$\mathrm{Fe} + 2\mathrm{HCl} \to {\mathrm{FeCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2.$

2/ Tính khối lượng gam Zn, Fe

Ta có: nH2 = 2.24/22.4 = 0.1 mol

Khối lượng Fe cần dùng (mFe) = 56.0,1 = 5,6g.

Khối lượng Zn cần dùng (mZn) = 65.0,1 = 6,5g.

Ứng dụng của phản ứng thế trong thực tiễn

Dưới đây là một số ứng dụng của phản ứng thế đang được áp dụng nhiều trong đời sống hiện đại:

• Luyện kim: Dùng kim loại hoạt động mạnh để khử kim loại hoạt động yếu khỏi dung dịch muối của chúng. Ví dụ: Mg + CuSO4 → MgSO4 + Cu.
• Chế biến quặng kim loại: Dùng kim loại hoạt động mạnh để khử kim loại yếu khỏi quặng. Ví dụ: 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe.
• Chế tạo hóa chất: Dùng phản ứng thế để điều chế các axit, bazơ, muối. Ví dụ: H2SO4 + NaCl → NaHSO4 + HCl.
• Khử trùng: Dùng khí Clo để khử trùng nước, diệt vi khuẩn.
• Xử lý nước thải: Dùng các chất khử để khử các chất độc hại trong nước thải.
• Nông nghiệp: Dùng phân bón hóa học để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.

Hy vọng, bài viết trên đây đã giúp các bạn ôn tập hiệu quả về phản ứng thế cũng như biết cách điều chế hidro phản ứng thế trong phòng thí nghiệm cũng như trong công nghiệp. Các bạn đừng quên ghé đọc website Monkey thường xuyên để tham khảo thêm nhiều kiến thức hóa học hữu ích khác nhé!