ปฏิกิริยาการทดแทนซ้ำซ้อนคืออะไร?

ปฏิกิริยาการแทนที่สองครั้งเกิดขึ้นเมื่อสารประกอบไอออนไนซ์สองชนิดแลกเปลี่ยนไอออนเพื่อผลิตสารใหม่สองชนิด สารที่ทำปฏิกิริยาจะแยกตัวออกจากสารละลายในน้ำ และไอออนบวกหรือลบจะเปลี่ยนตำแหน่ง สารใหม่ที่เป็นผลลัพธ์จะคงอยู่ในสารละลาย หลบหนีเป็นก๊าซ หรือตกตะกอนเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ไม่ละลายน้ำ ปฏิกิริยาการแทนที่แบบทวีคูณสามารถมีได้หลายรูปแบบรวมถึงปฏิกิริยากรด-เบสหลายประเภท กฎความสามารถในการละลายช่วยทำนายว่าสารใดสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการแทนที่แบบทวีคูณ และผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาใดจะตกตะกอนออกจากสารละลาย

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

ปฏิกิริยาการแทนที่สองครั้งคือการตกตะกอนหรือปฏิกิริยากรด-เบส ซึ่งสารตั้งต้นจะแตกตัวเป็นไอออนและไอออนบวกหรือประจุลบจะแลกเปลี่ยนกันเพื่อผลิตสารใหม่สองชนิด ปฏิกิริยาการตกตะกอนจะทำให้เกิดสารหนึ่งที่ไม่ละลายน้ำ ในขณะที่ปฏิกิริยากรด-เบสสามารถผลิตผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาที่ละลายน้ำได้ ของเหลวหรือก๊าซ

รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการทำงานของปฏิกิริยาการแทนที่สองครั้งสามารถเห็นได้จากตัวอย่างของสารประกอบสมมุติ AB และ CD เหล่านี้เป็นสารประกอบที่อะตอม A และ C มีพันธะกับอะตอม B และ D ตามลำดับ เมื่อใส่ในสารละลาย จะแยกตัวออกเป็นไอออนที่มีประจุบวก A

ไอออนที่มีประจุบวกทั้งสองจะขับไล่กันเนื่องจากมีประจุที่คล้ายคลึงกัน เช่นเดียวกับไอออนที่มีประจุลบทั้งสอง นั่นทำให้ AD และ CB เป็นปฏิกิริยาเคมีทดแทนคู่ที่มีศักยภาพ โดยที่ไอออน B และ D จะเปลี่ยนไป สารประกอบใหม่นี้อาจเป็นของแข็งที่ไม่ละลายน้ำ ของแข็งที่ละลายน้ำได้ ของเหลวหรือก๊าซ ขึ้นอยู่กับรายละเอียดของปฏิกิริยา ชนิดของสารที่ผลิตขึ้นแสดงให้เห็นว่ามีปฏิกิริยาเกิดขึ้นหรือไม่

หากสารไม่ละลายในน้ำ สารนั้นจะไม่สามารถทำปฏิกิริยาทดแทนซ้ำสองได้ กฎการละลายต่อไปนี้ช่วยทำนายว่าสารใดจะทำปฏิกิริยาในสารละลาย

• เกลือไนเตรตละลายได้
  
• เกลือของไอออนโลหะอัลคาไล เช่น ลิเธียม โซเดียม และโพแทสเซียม สามารถละลายได้
  
• เกลือแอมโมเนียมไอออนสามารถละลายได้
• เกลือโบรไมด์ ไอโอไดด์ และคลอไรด์ส่วนใหญ่ละลายได้ ยกเว้นเกลือของเงิน ปรอท และตะกั่ว
• เกลือซัลเฟตส่วนใหญ่ละลายได้ ยกเว้นเกลือของแคลเซียม ปรอท ตะกั่วและแบเรียม
• เกลือไฮดรอกไซด์ส่วนใหญ่ไม่ละลายน้ำ ยกเว้นเกลือของแคลเซียม แบเรียม และสตรอนเทียม
• ซัลไฟด์ คาร์บอเนต ฟอสเฟต และโครเมตส่วนใหญ่ไม่ละลายน้ำ ยกเว้นโลหะอัลคาไลและแอมโมเนียม

ปฏิกิริยาการตกตะกอนโดยทั่วไปจะแนะนำสารที่ละลายได้สองชนิดในสารละลายน้ำซึ่งทำให้เกิดของแข็งที่ไม่ละลายน้ำ ตัวอย่างเช่น ซิงค์ไนเตรตและโซเดียมฟอสเฟตทำปฏิกิริยาในปฏิกิริยาการแทนที่สองครั้ง ซิงค์ไนเตรตละลายได้ในน้ำเพราะเป็นเกลือไนเตรตและแม้ว่าฟอสเฟตส่วนใหญ่ไม่ละลายน้ำ แต่โซเดียมเป็นโลหะอัลคาไล ดังนั้นโซเดียมฟอสเฟตจึงละลายได้ สารทั้งสองจะแลกเปลี่ยนไอออนเป็นโซเดียมไนเตรตซึ่งยังคงอยู่ในสารละลายและสังกะสีฟอสเฟตซึ่งไม่ละลายน้ำและตกตะกอนออกมา

กรดและเบสแตกตัวเป็นไอออนในสารละลายเพื่อสร้างไฮโดรเจนและไฮดรอกไซด์ไอออน ในปฏิกิริยาการแทนที่สองเท่า ไฮโดรเจนไอออนจากกรดจะรวมตัวกับไฮดรอกไซด์ไอออนของเบสเพื่อสร้างน้ำ ซึ่งเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาทดแทนสองเท่า ผลิตภัณฑ์อื่นๆ เกิดขึ้นจากไอออนที่เหลือซึ่งเข้าสู่ปฏิกิริยา

ปฏิกิริยากรด-เบสอย่างง่าย เช่น กรดไฮโดรคลอริก (HCl) และโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) จะให้ผลเป็นเกลือ (NaCl) และน้ำ ปฏิกิริยาที่ซับซ้อนมากขึ้นจะละลายโซเดียมคาร์บอเนต (Na₂CO₃) ในสารละลายน้ำของ HCl ปฏิกิริยาการแทนที่สองครั้งที่ได้ผลลัพธ์คือ NaCl และ CO₂ เช่นเดียวกับน้ำ

ลักษณะสำคัญของปฏิกิริยาการแทนที่แบบทวีคูณคือความสามารถในการละลายของสารตั้งต้นสองตัว การแตกตัวเป็นไอออนของพวกมันในสารละลาย และหลักฐานของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น หากเกิดการตกตะกอนหรือเกิดแก๊ส แสดงว่าเกิดปฏิกิริยาเคมีแล้ว แต่สำหรับปฏิกิริยากรด-เบส ผลิตภัณฑ์อาจเป็นของเหลวหรือเกลือที่ละลายได้ ในกรณีดังกล่าว อาจจำเป็นต้องมีการทดสอบเพิ่มเติมเพื่อเป็นหลักฐานของปฏิกิริยา