単置換反応

一置換反応（いちりんかんけい）は、一置換反応または交換反応とも呼ばれ、化学における古い概念である。これは、1つの元素または配位子が原子または基に置き換えられるいくつかの化学反応の化学量論を説明するものである。^{[1] [2] [3]}

一般的には次のように表すことができます。

${\displaystyle {\ce {A + BC -> AC + B}}}$

いずれにせよ

• ${\displaystyle {\ce {A}}}$異なる金属（または水素のような陽イオンを形成する元素）であり、陰イオンである; ^[2]または${\displaystyle {\ce {B}}}$${\displaystyle {\ce {C}}}$

• ${\displaystyle {\ce {A}}}$およびはハロゲンであり、は陽イオンである。^[2]${\displaystyle {\ce {B}}}$${\displaystyle {\ce {C}}}$

これは、が よりも反応性が高く、より安定した生成物を与える場合に最もよく発生します。その場合の反応は、発エルゴン的かつ自発的です。 ${\displaystyle {\ce {A}}}$${\displaystyle {\ce {B}}}$

最初のケースでは、およびが金属であり、およびが通常は水性化合物（または非常にまれに溶融状態）であり、は傍観イオン（すなわち変化しない）である。 ^[1]${\displaystyle {\ce {A}}}$${\displaystyle {\ce {B}}}$${\displaystyle {\ce {BC}}}$${\displaystyle {\ce {AC}}}$${\displaystyle {\ce {C}}}$

${\displaystyle {\ce {A(s) + \underbrace{B+(aq) + C^{-}(aq)}_{BC(aq)}-> \underbrace{A+(aq) + C^{- }(aq)}_{AC(aq)}+ B(s)}}}$

反応性シリーズでは、反応するために電子を供与する傾向が最も高い金属が最初にリストされ、その後に反応性の低い金属が続きます。したがって、リストの上位にある金属は、それより下位にある金属を置換することができます。以下は、同じものの要約版です。^[1]

${\displaystyle {\ce {K}}>{\ce {Ca}}>{\ce {Na}}>{\ce {Mg}}>{\ce {Al}}>{\color {グレー}{ \ce {C}}}>{\ce {Zn}}>{\ce {Fe}}>{\color {グレー}{\ce {NH4^+}}}>{\color {グレー}{\ce {H+}}}>{\ce {Cu}}>{\ce {Ag}}>{\ce {Au}}}$

（灰色で表示されている水素、炭素、アンモニウムは金属ではありません。）

同様に、電子を獲得する傾向が最も高いハロゲンは最も反応性が高い。ハロゲンの活性系列は次の通りである: ^{[1] [2] [3]}

${\displaystyle {\ce {F2>Cl2>Br2>I2}}}$

およびは自由状態であるため、単置換反応は酸化還元反応でもあり、ある反応物から別の反応物への電子の移動を伴います。^[4]およびが金属の場合、は常に酸化され、は常に還元されます。ハロゲンは電子を獲得することを好むため、は還元され（ からへ）、酸化されます（ から へ）。 ${\displaystyle {\ce {A}}}$${\displaystyle {\ce {B}}}$${\displaystyle {\ce {A}}}$${\displaystyle {\ce {B}}}$${\displaystyle {\ce {A}}}$${\displaystyle {\ce {B}}}$${\displaystyle {\ce {A}}}$${\displaystyle {\ce {0}}}$${\displaystyle {\ce {-1}}}$${\displaystyle {\ce {B}}}$${\displaystyle {\ce {-1}}}$${\displaystyle {\ce {0}}}$

ここでは、1 つの陽イオンが別の陽イオンに置き換わります。

${\displaystyle {\ce {A + BC -> AC + B}}}$

(化合物 BC 内の要素 A が B に置き換わり、新しい化合物 AC と自由要素 B になります。)

例をいくつか挙げます。

${\displaystyle {\ce {Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu}}}$

（青い毒舌）____（緑の毒舌）

${\displaystyle {\ce {Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}}}$

（青い硫酸）___（白い硫酸）

${\displaystyle {\ce {Zn + FeSO4 -> ZnSO4 + Fe}}}$

（緑の硫酸） （白い硫酸）

これらの反応は発熱反応であり、温度上昇は通常、異なる金属の反応性の順序に従います。^[5]

元素形態の反応物が、より反応性の高い金属でない場合、反応は起こりません。この逆の例がいくつかあります。

${\displaystyle {\ce {Fe + ZnSO4 ->}}}$反応なし

外部ビデオ
CuCl2 と鉄 パート 2、2011
CuCl2とAlの反応、2011
硫酸銅と鉄：パート 1、2011 年

ここでは、1 つの陰イオンが別の陰イオンに置き換わります。

${\displaystyle {\ce {A + CB -> CA + B}}}$

(化合物 CB 内の要素 A が B に置き換わり、新しい化合物 CA と自由要素 B が形成されます。)

例をいくつか挙げます。

${\displaystyle {\ce {Cl2 + 2NaBr -> 2NaCl + Br2}}}$

${\displaystyle {\ce {Br2 + 2KI -> 2KBr + I2(v)}}}$

${\displaystyle {\ce {Cl2 + H2S -> 2HCl + S(v)}}}$

繰り返しますが、反応性の低いハロゲンは、反応性の高いハロゲンを置き換えることはできません。

${\displaystyle {\ce {I2 + 2KBr ->}}}$反応なし

金属は酸と反応して塩と水素ガスを形成します。

${\displaystyle {\ce {Zn(s) + 2HCl(aq) -> ZnCl2(aq) + H2 ^}}}$^{[2] [3]}

しかし、反応性の低い金属は酸から水素を置換することができません。^[3]（ただし、酸化酸とは反応する可能性があります。）

${\displaystyle {\ce {Cu + HCl ->}}}$反応なし

金属は水と反応して金属酸化物と水素ガスを形成します。金属酸化物はさらに水に溶解してアルカリを形成します。

${\displaystyle {\ce {Fe(s) + H2O (g) -> FeO(s) + H2 ^}}}$

${\displaystyle {\ce {Ca(s) + 2H2O (l) -> Ca(OH)2(aq) + H2 ^}}}$

アルカリ金属の場合、水素ガスが発火するため、反応は非常に激しくなる可能性がある。^[2]

反応性系列で水素より下に位置する金や銀などの金属は、水と反応しません。

外部ビデオ
カリウムと水の反応、2011
マグネシウムと水の反応、2011

コークスやより反応性の高い金属は、金属酸化物から炭素を還元するために使用され、^[6]例えば、酸化亜鉛（亜鉛鉱）の炭素熱反応で亜鉛金属が生成される場合などです。

${\displaystyle {\ce {ZnO + C -> Zn + CO}}}$

二酸化マンガンからマンガンを製造するためのアルミニウムの使用：

${\displaystyle {\ce {3MnO2 + 4Al -> 3Mn + 2Al2O3}}}$

このような反応は、ホウ素、ケイ素、チタン、タングステンの抽出にも使用されます。

${\displaystyle {\ce {3SiO2 + 4Al -> 3Si + 2Al2O3}}}$

${\displaystyle {\ce {B2O3 + 3Mg -> 2B + 3MgO}}}$

${\displaystyle {\ce {TiCl4 + 2Mg -> Ti + 2MgCl2}}}$

${\displaystyle {\ce {WF6 + 3 H2 -> W + 6 HF}}}$

反応性の高い金属を還元剤として使用すると、発熱反応が起こり、生成された金属が溶けます。これは鉄道の線路の溶接に使用されます。^[6]

${\displaystyle {\ce {Fe2O3(s) + 2 Al(s) -> 2 Fe(l) + Al2O3(s)}}}$

（ヘマタイト ）

${\displaystyle {\ce {3CuO + 2Al -> 3Cu + Al2O3}}}$

銀は硫化水素の存在により変色し、硫化銀が形成される。^{[7] [2]}

${\displaystyle {\ce {4Ag + 2H2S + O2 -> 2Ag2S + 2H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {3Ag2S + 2Al -> 6Ag + Al2S3}}}$

塩素はディーコン法によって工業的に製造されます。反応は、などのさまざまな触媒の存在下で約 400 ～ 450 °C で起こります。 ${\displaystyle {\ce {CuCl2}}}$

${\displaystyle {\ce {4HCl + O2 -> 2 Cl2 + 2H2O}}}$

塩水から臭素とヨウ素を塩素で置換することによって抽出します。

${\displaystyle {\ce {2HBr + Cl2 -> 2HCl + Br2 ^}}}$

${\displaystyle {\ce {2HI + Cl2 -> 2HCl + I2 ^}}}$

• 二重置換反応
• 分解反応
• 複合反応
• 置換反応

RSCによる反応性シリーズ

RSCによるハロゲン置換反応

塩素水がヨウ化物と臭化物と反応する様子、YouTube