置换反应的分类与应用

易建康

置换反应是无机反应中四类常见的反应类型之一，是熟练掌握元素化合物知识的重要途径，也是解析有关元素及化合物性质试题尤其是推断题的关键入手点。

一、置换反应的分类

根据置换反应中参加反应的单质和生成的单质的特点，将置换反应分为以下四类：

1.金属置换金属

（1）依据金属活动顺序表，用活泼性较强的金属置换活泼性较弱的金属，如Fe+CuSO4FeSO4+Cu。

（2）通过铝热反应进行的置换，如2Al+Fe2O3高温Al2O3+2Fe。

2.金属置换非金属

常见的典型反应有：2Na+2H2O2NaOH+H2↑，2Al+6H+2Al3++3H2↑，2Mg+CO2点燃2MgO+C，3Fe+4H2O（g）高温Fe3O4+4H2等。

3.非金属置换金属

主要是还原性的非金属与金属氧化物的反应，如H2+CuO△Cu+H2O。

4.非金属置换非金属

利用非金属性较强的单质与化合物反应生成非金属性较弱的金属，常见的主要反应有：2F2+2H2O4HF+O2、H2S+X22HX+S（其中X代表Cl、Br、I）、2H2S+O22H2O+2S、C+H2O（g）△CO+H2、2C+SiO2高温Si+2CO↑等。

二、试题解析

例1下列物质中不能通过置换反应生成的是（ ）。

A.Al2O3 B.F2 C.Fe3O4 D.C

解析Al与难熔金属氧化物反应，即铝热反应生成Al2O3，Fe与水蒸气反应后生成Fe3O4，CO2与Mg反应生成C，而F是非金属性最强的元素，不能通过置换反应制得F2。

例2下列关于置换反应：X+Y=W+Z（反应条件略去）的描述正确的是（ ）。

A.若X是金属单质，则W和Z中一定有一种物质是金属单质

B.若X是非金属单质，则W和Z中一定有一种物质是非金属单质

C.若X是含有金属元素的化合物，则W和Z中一定有一种是含金属元素的化合物

D.若X是不含金属元素的化合物，则W和Z中一定有一种是非金属单质

解析根据置换反应的分类，当X无论为金属单质还是非金属单质，生成物中的单质均可能为金属或为非金属。若X是含有金属元素的化合物，则在W和Z中，不一定有含金属元素的化合物，如H2+CuO△Cu+H2O。若X是不含金属元素的化合物，则发生置换反应时，生成物中一定有非金属单质。因此正确答案为D。

例3已知单质X与盐Y的水溶液发生置换反应生成单质Z，则下列说法正确的是（ ）。

A.若X是金属单质，则Z一定是金属单质

B.若X是非金属单质，则Z一定是非金属单质

C.若X是金属单质，则Z可能是金属单质，也可能是非金属单质

D.若X是非金属单质，则Z可能是金属单质，也可能是非金属单质

解析由于单质X是与盐Y的水溶液反应，因此当X为非金属单质时，Z不可能为金属单质。而当X为金属单质时，Z可能为金属单质，也可能为非金属单质。此时，解题的关键在于对反应的条件的理解，一种情况是与盐中的水发生反应，如2Na+2H2O2NaOH+H2↑，另一种情况是与酸式盐反应，如Fe与NaHSO4溶液反应后可得到H2，因此正确答案为C。

例4X、Y、Z为短周期元素的单质，U、V为它们的化合物，这些物质之间的关系如图1所示，其中反应条件和某些产物已经略去，试回答如下问题：

（1）如果X、Y的组成元素是同主族的，写出反应Ⅰ的化学反应方程式：

①若已知V是水：；

②若已知U、V均为氧化物。

（2）如果X、Y的组成元素不同主族时，按下列要求回答问题：

①X组成元素是地壳中含量最多的金属元素时，则X、Y、Z的化学式是：X为；Y为；Z为。

②若Y组成元素在自然界中形成的化合物种类最多时，则V、U的化学式是：V为；U为。

③若Z是通常情况下密度最小的物质，则反应Ⅰ的化学反应方程式：。

解析由所给转化关系图可知，X与U发生置换反应，由于X、Y的组成元素是同主族，则当V为水时，符合条件的反应为：2H2S+O22S+2H2O；当U、V均为氧化物时，符合条件的反应为：SiO2+2C高温Si+2CO。

地壳中含量最多的金属元素为Al，又由于X、Y、Z为短周期元素的单质，则符合条件的反应为：2Al+6HCl2AlCl3+3H2↑，X、Y、Z分别为Al、H2、Cl2；在自然界中形成化合物种类最多的为C，对应的反应为：2Mg+CO2点燃2MgO+C；V、U分别为MgO、CO2；密度最小的物质为H2，符合条件的反应方程式为：2F2+2H2O4HF+O2或Cl2+H2S2HCl+S。

例5A、B、C、D、E、F六种物质的相互转化关系如图2所示（反应条件未标出），其中反应①是置换反应。

（1）若A、D、F都是非金属元素，且A、D所含元素同主族，A、F所含元素同周期，则反应①的化学方程式为。

（2）若A是常见的金属元素，D、F是气态单质，反应①在水溶液中进行，反应②（在水溶液中进行）的离子方程式是；已知1 g D与F反应生成B时放出92.3 kJ的热量，写出该反应的热化学方程式。

（3）若B、C、F都是气态单质，且B有毒，③和④两个反应都有水生成，反应②需要放电条件才能发生，A、D相遇有白烟生成，则C的电子式是，反应③的化学方程式是。

（4）若A、D为短周期元素单质，且所含元素的原子序数A是D的2倍，所含元素的原子核外最外层电子数D是A的2倍，③和④两个反应中都有红棕色气体生成，则反应④的化学方程式为。

解析A与B发生置换反应生成C，C与F反应生成E，A与F反应也能生成E，因此E中应含有变价元素。若A、D、F为非金属元素且A与D为同族，则对应的反应为：2C+SiO2高温Si+2CO↑；当A为金属元素时，由于D、F为气态且E中有变价元素，符合条件的反应为：Fe+2HClFeCl2+H2↑，反应②的离子方程式为：Fe2++Cl22Fe3++2Cl-；在放电条件下能发生反应的为N2和O2，相遇产生白烟为NH3和HCl，故A为NH3、B为Cl2、C为N2、D为HCl、F为O2；反应方程式略；当A、D为短周期元素单质，且所含元素的原子序数A是D的2倍，所含元素的原子核外最外层电子数D是A的2倍，则反应①为2Mg+CO

2点燃2MgO+C，又③和④两个反应中有红棕色气体生成，说明有NO2生成，④为C与浓HNO3的反应，方程式为：C+4HNO3（浓）△CO2↑+4NO2↑+2H2O。

（收稿日期：2014-10-12）