Trong chương trình hóa học, ngoài các phản ứng quen thuộc như phản ứng cộng, phản ứng tách thì phản ứng thế cũng là phần kiến thức quan trọng mà các bạn nên ghi nhớ. Vậy khái niệm phản ứng thế là gì? Phương trình phản ứng thế? Lý thuyết và các dạng bài tập phản ứng thế?… Hãy cùng Dinhnghia tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé!
Nội dung bài viết
Lý thuyết phản ứng thế
Phản ứng thế là gì?
Phản ứng thế là một phản ứng hóa học mà trong đó dạng đơn chất của nguyên tử nguyên tố này sẽ thay thế nguyên tử của nguyên tố khác trong hợp chất.
Phương trình phản ứng thế
- Trong hoá học vô cơ: Trong hóa học vô cơ, sẽ luôn sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tố trong phản ứng thế. Trong đó, một nguyên tố có độ hoạt động hóa học mạnh hơn (ở các điều kiện cụ thể về nhiệt độ và áp suất) sẽ thay thế cho nguyên tố có độ hoạt động hóa học yếu hơn trong hợp chất của nguyên tố. Ta có: A+BX → AX+B
- Trong hóa học hữu cơ: Phản ứng thế lúc này được biết là phản ứng mà trong đó một nhóm của một hợp chất được thay bằng một nhóm khác.
Ví dụ về phản ứng thế
Trong hóa học vô cơ:
- Fe + HCl → FeCl2 + H2
- 2Al + 6HCl → 2AlCl3+3H2
- 2C + SiO2 → 2CO+Si
- Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2
- Fe + H2SO4 → H2 + FeSO4
- 2AlCl3 + 3Mg → 2Al + 3MgCl2
- Zn + CuCl2 → Cu + ZnCl2
- 3Cl2 + 6Fe(NO3)2 → 4Fe(NO3)3 + 2FeCl3
- 3Cl2 + 2NH3 → 6HCl + N2
- 2HCl + Zn → H2 + ZnCl2
Trong hóa học hữu cơ:
- CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Phân loại phản ứng thế
Phản ứng thế trong hóa học vô cơ
Phản ứng thế trong trường hợp này thường được đề cập là dãy BEKETOP, nó dùng để so sánh độ hoạt động hóa học của một số kim loại với nhau và so với hiđro. Tuy nhiên, BEKETOP chỉ thể hiện cho một số kim loại điển hình ở điều kiện tiêu chuẩn. Còn trong thực tế, ở nhiệt độ cao thì một số phi kim như cacbon có khả năng thế chỗ của kim loại trong hợp chất của nó.
Ví dụ: Phản ứng khử oxit sắt (III): 3C + Fe2O3 → 3CO + 2Fe
Phản ứng thế trong hóa học hữu cơ
Phản ứng thế ở các hợp chất hữu cơ được phân loại như sau:
- Phản ứng thế ái lực hạt nhân.
- Phản ứng thế ái lực điện tử.
- Phản ứng thế gốc.
Các phản ứng này có tính dây chuyền, để khơi mào thì cần được chiếu sáng hoặc thêm các chất dễ phân hủy thành gốc tự do vào. Các phản ứng thế này sẽ thường gặp ở các hiđrocacbon no, được ký hiệu là S, phản ứng thế halogen trong các phân tử ankan sẽ xảy ra theo cơ chế gốc (cơ chế SR).
Ví dụ: Xét quá trình phản ứng giữa metan và clo, phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc, trải qua 3 giai đoạn: khơi mào, phát triển mạch, tắt mạch.
Khơi mào:
- Cl2 → Cl′ + Cl′ (điều kiện: ánh sáng khuếch tán).
Phát triển mạch:
- CH4 + Cl′ → CH′3 + HCl
- CH′3 + Cl2 → CH3Cl + Cl′
Tắt mạch:
- Cl′+Cl′ → Cl2
- CH′3+Cl′ → CH3Cl
- CH′3+CH′3 → CH3−CH3
Các dạng bài tập về phản ứng thế
Dạng 1: Phản ứng thế halogen của ankan
Nhận xét chung: Vì trong phân tử chỉ có các liên kết đơn là các liên kết bền nên ở điều kiện thường các ankan tương đối trơ về mặt hóa học. Ankan không bị oxi hóa bởi các dung dịch sau H2SO4đ, HNO3, KMnO4,…
- Khi có ánh sáng, nhiệt độ và xúc tác thì ankan tham gia các phản ứng thế, tách và oxi hóa.
- Phản ứng thế halogen (phản ứng halogen hóa)
- Thường xét phản ứng với Cl2,Br2
Dưới tác dụng của ánh sáng, các ankan sẽ tham gia phản ứng thế halogen. Các nguyên tử H có thể lần lượt bị thế đến hết bằng các nguyên tử halogen.
- CH4 + Cl2 → asCH3Cl + HCl
- CH3Cl + Cl2 → asCH2Cl2 + HCl
- CH2Cl2 + Cl2 → asCHCl3 + HCl
- CHCl3 + Cl2 → asCCl4 + HCl
Quy tắc thế: Khi tham gia phản ứng thế, nguyên tử halogen sẽ ưu tiên tham gia thế vào nguyên tử H của C bậc cao hơn (có ít H hơn).
Ví dụ:
- CH3–CH2−CH3 + Br2 → asCH3−CHBr−CH3 + HBr
Lưu ý:
- Chỉ có Cl2,Br2 tham gia phản ứng, I2,F2 khống tham gia phản ứng.
- Số lượng nguyên tử H bị thay thế phụ thuộc vào tỉ lệ mol ankan và halogen.
- Nguyên tử H của C bậc cao dễ bị thay thế hơn nguyên tử H của C bậc thấp.
- Phương pháp giải bài tập thế halogen
Bước 1: Viết phương trình phản ứng của ankan với Cl2 hoặc Br2. Nếu đề bài không cho biết sản phẩm thế là monohalogen, đihalogen, thì ta phải viết phản ứng ở dạng tổng quát :
CnH2n + 2 + xBr2 → as,t∘ CnH2n + 2−xBrx + xHBr hoặc CnH2n + 2 + xCl2 → as,t∘ CnH2n + 2−xClx + xHCl
Bước 2:
- Tính khối lượng mol của sản phẩm thế hoặc khối lượng mol trung bình của hỗn hợp sản phẩm nhằm tìm số nguyên tử cacbon trong ankan hay mối liên hệ giữa số cacbon và số nguyên tử clo, brom trong sản phẩm thế.
- Qua đó sẽ xác định được số nguyên tử cacbon cũng như số nguyên tử clo, brom trong sản phẩm thế. Từ đó tìm được công thức cấu tạo của ankan ban đầu và công thức cấu tạo của các sản phẩm thế.
Bài 1: Clo hóa ankan X theo tỉ lệ mol 1: 1 tạo sản phẩm dẫn xuất monoclo có thành phần khối lượng Clo là 45,223%. Vậy công thức phân tử của X là gì?
Hướng dẫn giải
- Ta có: CnH2n+2 + Cl2 → CnH2n + 1Cl+HCl
⇒ 35,5/14n + 36,5.100 = 45,223 ⇒ n = 3
- Vậy CTPT của X là: C3H8
Bài 2: Một ankan A có thành phần phần trăm C là 83,33%. Tìm CTPT và xác định CTCT đúng của A biết rằng khi cho A tác dụng với Clo theo tỉ lệ mol 1: 1 ta chỉ thu được 1 sản phẩm thế monoclo.
Hướng dẫn giải
- Gọi CTPT của ankan là: CnH2n+2
- %mC = 12n/12n+2n + 2.100% = 83,33%
⇒ n=5
- Vậy CTPT của A là C5H12
- A tác dụng với Cl2 theo tỉ lệ mol 1: 1 ta chỉ thu được 1 sản phẩm thế monoclo.
Dạng 2: Bài tập phản ứng thế hiđrocacbon
Bài 1: Hiđrocacbon mạch hở X trong phân tử chỉ chứa liên kết σ và có hai nguyên tử cacbon bậc ba trong một phân tử. Đốt cháy hoàn toàn 1 thể tích X sinh ra 6 thể tích CO2 (ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất). Khi cho X tác dụng với Cl2 (theo tỉ lệ số mol 1 : 1), số dẫn xuất monoclo tối đa sinh ra là:
- 3
- 4
- 2
- 5
Hướng dẫn giải
- X có 6 cacbon và chỉ gồm toàn liên kết xích ma
⇒ X là: C−C(C)−C(C)−C(2,3−dimetylbutan)
⇒ X có 2 đồng phân.
- Vậy số dẫn xuất monoclo tối đa sinh ra là 2.
Bài 2: Hai xicloankan M và N đều có tỉ khối hơi so với metan bằng 5,25. Khi tham gia phản ứng thế clo (ánh sáng, tỉ lệ mol 1:1) M cho 4 sản phẩm thế còn N cho 1 sản phẩm thế. Tên gọi của các xicloankan N và M là:
- metyl xiclopentan và đimetyl xiclobutan.
- Xiclohexan và metyl xiclopentan.
- Xiclohexan và n-propyl xiclopropan.
Cả A, B, C đều đúng.
Hướng dẫn giải
- Cả 2 đều có tỷ khối hơi so với metan bằng 5,25 ⇒ công thức phân tử là C6H12
- N cho duy nhất 1 đồng phân ⇒ N chỉ có thể là xiclohexan ⇒ Loại A và D
- M cho 4 đồng phân ⇒ M là metyl xiclopentan
⇒ Chọn B
Một số câu trắc nghiệm liên quan đến phản ứng thế
Câu 1: Phản ứng hóa học đặc trưng của ankan là:
A. Phản ứng tách.
B. Phản ứng cộng.
C. Phản ứng thế.
D. Cả A, B và C.
Đáp án: B
Câu 2: Phản ứng nào sau đây là phản ứng thế?
A. Fe(NO3)2 + AgNO3 → Fe(NO3)3 + Ag
B. 3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2+ 2NO + 4H2O
C. Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
D. CuO + HCl → CuCl2 + H2O
Đáp án: C
Câu 3: Phản ứng nào sau đây là phản ứng thế?
A. 3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2+ 2NO + 4H2O
B. Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
C. FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O
D. Fe(NO3)2 + AgNO3→ Fe(NO3)3 + Ag
Đáp án: B
Câu 4: Hợp chất hữu cơ nào sau đây chỉ có phản ứng thế với Cl, không có phản ứng cộng với Cl?
A. C2H4
B. C6H6
C. C2H2
D. CH4
Đáp án: D
Câu 5: Phản ứng nào sau đây là phản ứng thế?
A. Cl2+ 2KBr → 2KCl + Br2
B. 4S + 8NaOH → Na2SO4 + 3Na2S + 4H2O
C. Fe(NO3)2 + AgNO3 → Fe(NO3)3 + Ag
D. 3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Đáp án: A
Câu 6: Phản ứng nào sau đây là phản ứng thế?
A. 4S + 8KOH → K2SO4+ 3K2S + 4H2O
B. 3Mg + 8HNO3 → 3Mg(NO3)2 + 2NO + 4H2O
C. Fe(NO3)2 + AgNO3→ Fe(NO3)3+ Ag
D. Cl2 + 2KI → 2KCl + I2
Đáp án: D
Câu 7: Cho các phản ứng hoá học sau: (coi điều kiện có đủ)
(1) 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2.
(2) 2Fe + O2 → 2FeO.
(3) K2O + H2O → 2KOH.
(4) 2KMnO4→ K2MnO4 + MnO2+ O2.
(5) Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2.
(6) CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O.
Số phản ứng thế là:
A. 2
B. 3
C. 4
D. 5
Đáp án: A
Câu 8: Tìm phản ứng thế?
A. CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O
B. Mg + 2HCl → MgCl2+ H2
C. Cu + 2FeCl3 → CuCl2 + 2FeCl2
D. KOH + HCl → KCl + H2O
Đáp án: B
Câu 9: Cho đinh Fe vào dung dịch CuSO4, sau một thời gian ta thấy hiện tượng là:
A. Màu xanh của dung dịch bị nhạt dần
B. Dung dịch có màu đỏ nâu
C. Dung dịch có màu vàng nâu
D. Dung dịch có màu xanh đậm hơn
Đáp án: A
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Câu 10: Phản ứng thế là phản ứng hóa học
A. Giữa đơn chất và đơn chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.
B. Giữa hợp chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.
C. Giữa đơn chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của hợp chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong đơn chất.
D. 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.
Đáp án: D
Xem thêm:
- Phương trình hóa học là gì? Ý nghĩa và Các dạng bài tập
- Công thức hóa học là gì? Ý nghĩa và Bài tập về công thức hóa học
- Điều chế khí oxi là gì? Phản ứng phân hủy là gì? – Hóa học 8 Bài 27
Vừa rồi Dinhnghia.com.vn đã gửi đến các bạn những thông tin liên quan đến phản ứng thế là gì và một số các bài tập liên quan. Hy vọng với những thông tin vừa cung cấp sẽ giúp việc học của các bạn trở nên dễ dàng hơn. Chúc bạn luôn học tốt!