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Contenido principal

Reacciones de sustitución simple

Definición de reacción de sustitución simple (o desplazamiento simple). Predicción y determinación de los productos mediante la serie de reactividad. 

¿Qué es una reacción de sustitución simple?

Una reacción de sustitución simple, también llamada reacción de desplazamiento simple, es una reacción en la que un elemento se sustituye por otro dentro un compuesto. Los materiales iniciales siempre son elementos puros, como metal de zinc puro o gas hidrógeno, más un compuesto acuoso. Cuando ocurre una reacción de sustitución, se generan como productos un nuevo compuesto acuoso puro y un elemento puro diferente. La forma general de una reacción de sustitución simple se muestra a continuación.
start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text, left parenthesis, a, c, 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, c, 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, 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, ¡, E, l, e, m, e, n, t, o, s, space, p, u, r, o, s, !, end text, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, end color #11accd
Podemos ver que start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 sustituye a start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 dentro del compuesto start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text para formar un nuevo compuesto start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text y start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 elemental. Otra cosa que podrías notar es que start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 comienza como un ion en solución, pero aparece en su forma elemental de lado de los productos. El reactivo start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 hace lo opuesto: inicia en su forma elemental de lado de los reactivos, pero termina como un ion en estado acuoso como parte del compuesto start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54, start text, B, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis.
Vamos a tratar de darle sentido a esa definición con un ejemplo de una reacción.
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, c, 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
start color #ca337c, start text, S, o, l, u, c, i, o, with, \', on top, n, space, t, r, a, n, s, p, a, r, e, n, t, e, comma, end text, end color #ca337c
space, space, space, space, space, start color #ca337c, start text, i, n, c, o, l, o, r, a, point, end text, end color #ca337c
Probablemente notaste que no hemos especificado los productos en la reacción anterior. De hecho, es posible que la reacción ¡ni siquiera suceda! En la siguiente sección averiguaremos si podemos predecir si esta reacción sucede y qué productos se podrían formar. Entretanto, podemos utilizar nuestras agudas habilidades de observación para comenzar a pensar sobre lo que está sucediendo.
¿Cambio de color más la formación de un precipitado? ¡Parece una reacción química! Crédito de la imagen: Toby Hudson de Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 AU
¿Cómo se ve esta reacción en la vida real?
Comenzamos con una solución transparente e incolora de nitrato de plata (I), luego dejamos caer un trozo de alambre de cobre brillante. La solución se vuelve azul aguamarina y el alambre de cobre comienza a verse gris y parece que tiene pelusa. ¡Genial!
Ahora tratemos de explicar este fenómeno mediante la química.

Determinación de los productos de las reacciones de sustitución simple

Si estamos tratando de averiguar si ocurrirá una reacción de desplazamiento simple, hay dos preguntas principales que debemos responder.
1. ¿Cuáles son los dos elementos que podrían intercambiarse de lugar en nuestra reacción propuesta?
En general, los elementos que forman aniones pueden sustituir el anión en el compuesto y los elementos que forman cationes pueden sustituir el catión del compuesto. Se pueden utilizar las siguientes pautas para determinar el tipo de ion que un elemento dado podría formar.
  • Los metales por lo general, forman catones. Esto incluye los grupos 1 y 2, algunos elementos de los grupos 13 y 14, y los metales de transición.
  • Los no metales comunes que participan en reacciones de sustitución simple son los que pertenecen al grupo 17, los cuales generalmente forman aniones con carga 1-.
  • El hidrógeno normalmente forma el catión start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en una reacción de sustitución simple.
En nuestra reacción con metal de cobre y solución de nitrato de plata (I), el metal de cobre probablemente reaccionará para formar cationes de cobre porque es un metal de transición. Los cationes de cobre pueden sustituir a los cationes de plata en el compuesto start text, A, g, end text, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis para formar un nuevo compuesto.
2. ¿Cuál es el nuevo compuesto que se formará como producto?
Ya que sabemos qué elemento se podría sustituir en nuestro compuesto iónico, podemos predecir los productos que se podrían formar. En este ejemplo, los átomos de plata en 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, c, right parenthesis se pueden sustituir por cobre para formar 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, c, right parenthesis. En el proceso, también se formaría plata elemental, start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, left parenthesis, s, right parenthesis, como producto. Podemos escribir la reacción completa y balanceada como sigue:
2, 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, c, right parenthesis, plus, start color #1fab54, start text, C, u, end text, end color #1fab54, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, 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, c, right parenthesis, plus, 2, start color #e84d39, start text, A, g, end text, end color #e84d39, left parenthesis, s, right parenthesis
¿Coincide esto con nuestras observaciones? Resulta que las soluciones acuosas 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 son de color azul verdoso, lo que explica el cambio de color de la solución. La pelusa gris que crece sobre el cobre sería por el metal de plata que se precipita a partir de la superficie del cobre.
¿Se te ocurren otras mediciones que podríamos hacer para comprobar nuestras conclusiones?

Predecir si ocurrirá una reacción de sustitución simple

Ya que sabemos qué elementos podrían intercambiarse en nuestra reacción de desplazamiento simple, podemos predecir si la reacción sucederá según lo que conocemos sobre la reactividad relativa de los dos elementos, start color #1fab54, start text, C, end text, end color #1fab54 y start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39 en la forma general arriba, o cobre y plata en nuestra reacción de ejemplo. Si el elemento start text, C, end text es más reactivo que el elemento start text, A, end text, entonces start text, C, end text sustituirá a start text, A, end text en un compuesto. Si el elemento start text, C, end text es menos reactivo que el elemento start text, A, end text, entonces no habrá reacción.
La serie de reactividad, también llamada serie de actividad, clasifica los elementos en orden de su reactividad para ciertos tipos de reacciones, incluyendo las reacciones de sustitución simple. Los elementos más reactivos en la serie de reactividad, sustituirán a los menos reactivos, pero no a la inversa. Hay clasificaciones diferentes para los elementos que forman cationes y los elementos que forman aniones.
Para los elementos que tienden a ganar electrones para formar aniones, el orden de reactividad del más reactivo al menos reactivo es el siguiente:
start color #1fab54, start text, M, a, with, \', on top, s, space, r, e, a, c, t, i, v, o, end text, end color #1fab54, space, space, space, space, space, start text, F, end text, start subscript, 2, end subscript, is greater than, start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, is greater than, start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript, is greater than, start text, I, end text, start subscript, 2, end subscript, space, space, space, space, space, start color #e84d39, start text, M, e, n, o, s, space, r, e, a, c, t, i, v, o, end text, end color #e84d39
Para recordar el orden de reactividad de estos elementos, también podemos ver de qué manera están acomodados en la tabla periódica, dentro del grupo 17. Entre más arriba esté el elemento en la columna, más reactivo será. De acuerdo con esta serie de actividad, podemos predecir que el start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript sustituiría al start text, I, end text, start subscript, 2, end subscript en una reacción de sustitución simple, pero el start text, B, r, end text, start subscript, 2, end subscript no reaccionaría con un compuesto que contiene iones fluoruro.
Para los elementos que forman cationes, la serie de reactividad es más larga, y las tendencias no son tan claras. Puedes ver un ejemplo de una serie de reactividad para cationes a continuación.
¡La reactividad es bastante complicada! Al fin y al cabo, hay muchos tipos distintos de reacción; entonces, ¿qué tipo de reactividad estamos clasificando aquí? Algunas de las propiedades que se toman en cuenta en la serie de reactividad incluyen la reactividad con agua y ácidos, así como la facilidad con la que un elemento pierde electrones para formar cationes. Sin embargo, como resultado de las diferentes formas de definir el término reactividad, es posible que encuentres que algunos elementos se clasifican en un orden diferente, dependiendo de tu maestro o libro de texto. Para este artículo, usaremos la serie de reactividad de arriba como nuestra referencia para resolver nuestros ejemplos.
La forma de usar la serie de reactividad es igual tanto para cationes como para aniones:
Los elementos más reactivos sustituirán a los elementos menos reactivos en un compuesto.
Regresemos a nuestro experimento que combina start text, A, g, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis y alambre de cobre. En la serie de reactividad de cationes, vemos que el cobre está clasificado por arriba de la plata, por lo que esperaríamos que el cobre fuera más reactivo que la plata en una reacción de sustitución simple. Por lo tanto, podemos predecir que start text, A, g, end text, start superscript, plus, end superscript sería sustituida por start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript en un compuesto, lo que confirma nuestros resultados. ¡Viva!

Ejemplo: predicción de los productos de una reacción de sustitución simple

Consideremos la siguiente reacción:
start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow
La primera pregunta que nos podríamos hacer es ¿a qué elemento podría sustituir el start text, M, g, end text en el compuesto start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript? start text, A, l, end text es un metal que usualmente forma cationes con una carga de 3+. Podemos verificar esto porque start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript es neutro y el fosfato tiene una carga 3-, por lo que los cationes de aluminio deben tener una carga de 3+. Dado que start text, M, g, end text también es un metal que forma cationes, podríamos esperar que start text, M, g, end text sustituyera al metal start text, A, l, end text en nuestro compuesto. Si revisamos la serie de reactividad de cationes, vemos que el magnesio es más reactivo que el aluminio, por lo que predecimos que ocurrirá la reacción de sustitución simple.
¿Qué productos esperamos de esta reacción de sustitución simple? Esperamos formar start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis elemental y el nuevo compuesto iónico 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.
Esto da la siguiente reacción:
start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, start text, M, g, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, start text, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start color #aa87ff, start text, A, d, v, e, r, t, e, n, c, i, a, colon, space, ¡, n, o, space, e, s, t, a, with, \', on top, space, b, a, l, a, n, c, e, a, d, a, !, end text, end color #aa87ff
Pero todavía no hemos terminado puesto que, por el momento, nuestra reacción no está balanceada. Podemos arreglarlo multiplicando start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript de lado de los reactivos por dos, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis por tres, y start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis de lado de los productos por dos. Esto nos da nuestra ecuación balanceada final:
2, start text, A, l, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, 3, start text, M, g, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, 2, start text, A, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, 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, left parenthesis, a, c, right parenthesis

Resumen

Las reacciones de sustitución simple tienen la forma general que se muestra a continuación:
start color #e84d39, start text, A, end text, end color #e84d39, start text, B, end text, left parenthesis, a, c, 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, c, right parenthesis
donde un elemento sustituye a otro elemento en un compuesto para generar un nuevo elemento y un nuevo compuesto. Otras cosas que hay que recordar para las reacciones de sustitución simple incluyen:
  1. Los elementos que probablemente formen cationes (normalmente metales o gas hidrógeno), sustituirán al catión en el compuesto y los elementos que probablemente formen aniones (generalmente halógenos del grupo 17), reemplazarán a los aniones en el compuesto.
  2. En una reacción de sustitución simple, es más reactivo un elemento con mayor jerarquía en la serie de actividad. Pronosticamos que una reacción de sustitución simple ocurrirá cuando sea posible sustituir un elemento menos reactivo por uno más reactivo en un compuesto.

¡Inténtalo!

Problema 1

¿Qué productos se pueden predecir para la siguiente reacción de sustitución simple?
start text, N, a, B, r, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, right arrow
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Problema 2

Si queremos precipitar el metal de cobre de una solución acuosa de start text, C, u, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, ¿cuál de los siguientes reactivos debemos agregar a nuestra solución?
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  • Avatar orange juice squid orange style para el usuario alexisub
    Hola, les quería comentar que hay un error de sintaxis en la palabra cationes, dentro de la frase:
    "Los metales por lo general, forman catones. Esto incluye los grupos 1 y 2, algunos elementos de los grupos 13 y 14, y los metales de transición."
    Saludos y gracias
    (7 votos)
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