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 redD, A, end color redD, B, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color greenD, C, end color greenD, right arrow, start color red, A, end color red, plus, start color greenD, C, end color greenD, B, left parenthesis, a, c, right parenthesis
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Podemos ver que start color greenD, C, end color greenD sustituye a start color redD, A, end color redD dentro del compuesto start color redD, A, end color redD, B para formar un nuevo compuesto start color greenD, C, end color greenD, B y start color redD, A, end color redD elemental. Otra cosa que podrías notar es que start color redD, A, end color redD comienza como un ion en solución, pero aparece en su forma elemental de lado de los productos. El reactivo start color greenD, C, end color greenD 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 greenD, C, end color greenD, B, left parenthesis, a, c, right parenthesis.
Cuando una sustancia química pasa de ser un ion a ser un elemento puro, indica que ha ocurrido un tipo especial de reacción: una reacción de óxido-reducción o redox. Estas reacciones reciben este nombre porque el estado de oxidación de un ion monoatómico en solución es igual a su carga, mientras que el estado de oxidación de un elemento puro siempre es igual a cero. Por lo tanto, cualquier cosa que pasa de ser un ion a ser un elemento puro, o viceversa, forzosamente debe estar cambiando de estado de oxidación.
Dado que el estado de oxidación de start color redD, A, end color redD y start color greenD, C, end color greenD siempre cambia en una reacción de sustitución simple, sabemos que las reacciones de sustitución simple también deben ser reacciones de óxido-reducción.
Vamos a tratar de darle sentido a esa definición con un ejemplo de una reacción.
start color redD, A, g, end color redD, N, O, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color greenD, C, u, end color greenD, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, space, space, question mark
          ~~~~~~~~~~\downarrow
Solución transparente,\maroonD{\text{Solución transparente,}}
space, space, space, space, space, start color maroonD, i, n, c, o, l, o, r, a, point, end color maroonD
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 H, start superscript, plus, end superscript en una reacción de sustitución simple.
    La carga que comúnmente presenta un elemento dado está estrechamente relacionada con el concepto de estado de oxidación. Para un ion monoatómico, la carga del ion es igual al número de oxidación.
    Para un repaso sobre qué números de oxidación son comunes para distintos elementos, revisa nuestro video sobre tendencias de los estados de oxidación.
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 A, g, N, O, 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 redD, A, g, end color redD, N, O, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis se pueden sustituir por cobre para formar start color greenD, C, u, end color greenD, left parenthesis, N, O, 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 redD, A, g, end color redD, left parenthesis, s, right parenthesis, como producto. Podemos escribir la reacción completa y balanceada como sigue:
2, start color redD, A, g, end color redD, N, O, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color greenD, C, u, end color greenD, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, start color greenD, C, u, end color greenD, left parenthesis, N, O, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, 2, start color redD, A, g, end color redD, left parenthesis, s, right parenthesis
¿Coincide esto con nuestras observaciones? Resulta que las soluciones acuosas de C, u, left parenthesis, N, O, 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 greenD, C, end color greenD y start color redD, A, end color redD en la forma general arriba, o cobre y plata en nuestra reacción de ejemplo. Si el elemento C es más reactivo que el elemento A, entonces C sustituirá a A en un compuesto. Si el elemento C es menos reactivo que el elemento A, 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:
Más reactivo     F2>Cl2>Br2>I2     Menos reactivo\greenD{\text{Más reactivo}}~~~~~\text{F}_2>\text {Cl}_2>\text{Br}_2>\text{I}_2~~~~~\redD{\text{Menos reactivo}}
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 B, r, start subscript, 2, end subscript sustituiría al I, start subscript, 2, end subscript en una reacción de sustitución simple, pero el B, r, 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 a la derecha 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 A, g, N, O, 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 A, g, start superscript, plus, end superscript sería sustituida por C, u, 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:
A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, M, g, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow
La primera pregunta que nos podríamos hacer es ¿a qué elemento podría sustituir el M, g en el compuesto A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript? A, l es un metal que usualmente forma cationes con una carga de 3+. Podemos verificar esto porque A, l, P, O, 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 M, g también es un metal que forma cationes, podríamos esperar que M, g sustituyera al metal A, l 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 A, l, left parenthesis, s, right parenthesis elemental y el nuevo compuesto iónico M, g, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, P, O, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript.
Necesitamos tener números enteros de los iones de M, g, start superscript, 2, plus, end superscript y P, O, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 3, minus, end superscript, y debemos combinarlos de tal manera que el compuesto iónico global sea neutro. Podemos cumplir con estos requisitos al tener tres iones de M, g, start superscript, 2, plus, end superscript y dos iones de P, O, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 3, minus, end superscript para que nuestras cargas sumen left parenthesis, 3, times, 2, start superscript, plus, end superscript, right parenthesis, plus, left parenthesis, 2, times, 3, start superscript, minus, end superscript, right parenthesis, equals, 0.
Esto da la siguiente reacción:
Pero todavía no hemos terminado puesto que, por el momento, nuestra reacción no está balanceada. Podemos arreglarlo multiplicando A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript de lado de los reactivos por dos, M, g, left parenthesis, s, right parenthesis por tres, y A, l, left parenthesis, s, right parenthesis de lado de los productos por dos. Esto nos da nuestra ecuación balanceada final:
Para balancear ecuaciones con iones poliatómicos, puede ser de ayuda usar el método de sustitución. Si no sabes qué es eso o quieres repasarlo, consulta este video sobre el balanceo de ecuaciones con sustitución.
2, A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, 3, M, g, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, 2, A, l, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, M, g, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, P, O, 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 redD, A, end color redD, B, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color greenD, C, end color greenD, right arrow, start color red, A, end color red, plus, start color greenD, C, end color greenD, B, 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.

Créditos:

Este artículo se adaptó de "Types of Chemical Reactions: Single- and Double-Displacement Reactions (Tipos de reacciones químicas: reacciones de desplazamiento simple y doble)" de Beginning Chemistry (Principios de química), CC-BY-NC-SA 3.0.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC-BY-NC-SA 4.0.

Referencias complementarias

Brunning, Andy. "The Metal Reactivity Series.(La serie de reactividad de los metales)" Compound Interest. http://www.compoundchem.com/2015/03/10/reactivity-series
McMurry, J. E. y R. C. Fay. "The Activity Series of the Elements (La serie de actividad de los elementos)". En General Chemistry: Atoms First (Química general: los átomos primero), 253-255. 2a ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, 2014.

¡Inténtalo!

Problema 1

¿Qué productos se pueden predecir para la siguiente reacción de sustitución simple?
N, a, B, r, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, C, l, start subscript, 2, end subscript, right arrow
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El compuesto iónico N, a, B, r está formado por el catión N, a, start superscript, plus, end superscript y el anión B, r, start superscript, minus, end superscript. El elemento C, l, start subscript, 2, end subscript forma el anión C, l, start superscript, minus, end superscript.
Por lo tanto, queremos predecir si C, l, start superscript, minus, end superscript sustituirá al B, r, start superscript, minus, end superscript en N, a, B, r.
Dado que C, l, start subscript, 2, end subscript es más reactivo que B, r, start subscript, 2, end subscript, predecimos que la reacción de sustitución simple debería ser favorable.
El compuesto iónico que se forma a partir del catión N, a, start superscript, plus, end superscript y el anión C, l, start superscript, minus, end superscript es N, a, C, l. El otro producto es B, r, start subscript, 2, end subscript.

Problema 2

Si queremos precipitar el metal de cobre de una solución acuosa de C, u, S, O, start subscript, 4, end subscript, ¿cuál de los siguientes reactivos debemos agregar a nuestra solución?
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Queremos sustituir el C, u, start superscript, 2, plus, end superscript en C, u, S, O, start subscript, 4, end subscript para poder formar C, u, left parenthesis, s, right parenthesis. Puesto que estamos sustituyendo el catión, nuestro segundo reactivo en la reacción de desplazamiento simple será un elemento que forma cationes, y por lo tanto probablemente será un metal. Esto descarta el halógeno I, start subscript, 2, end subscript como respuesta, ya que forma el anión I, start superscript, minus, end superscript.
También podemos descartar el A, g, N, O, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, puesto que ¡ni siquiera es un elemento puro!
Para que pueda proceder la reacción de sustitución simple, necesitamos un elemento que sea más reactivo que el cobre en la serie de reactividad. Dentro de las opciones que nos quedan, A, g, left parenthesis, s, right parenthesis es menos reactivo que C, u, left parenthesis, s, right parenthesis, y Z, n, left parenthesis, s, right parenthesis es más reactivo que C, u, left parenthesis, s, right parenthesis.
Por lo tanto, la respuesta es Z, n, left parenthesis, s, right parenthesis.