氢原子百科 
置换反应(replacemen treaction)，它是一种单质与一种化合物作用，生成另一种单质与另一种化合物的反应，是化学中四大基本反应类型之一，包括金属与金属盐的反应，金属与酸的反应等。氧化还原反应不一定为置换反应，置换反应一定为氧化还原反应。例如金属羰基化合物间的置换，则不是氧化还原反应。[2][3]除此之外，也可以指路易斯酸间的置换反应，此时并不需要单质参与反应。能将另一个较弱的路易斯酸（）从稳定配离子的盐中置换出来[2]
置换反应通常发生在不同原子或基团的活性度有所差异的化合物之间。在反应中，较活泼的原子或基团可能会取代较不活泼的原子或基团，以达到更稳定的化学状态。[4]极性和电位是影响置换反应发生的重要因素。电子的转移和离子的形成这种类型的置换反应，极性较强的电位也会更强，这会导致电子的流动，从而影响反应的进行。电位会通过离子或原子间电位差的产生来影响反应速率，电位的增加会增加离子的电场力，使离子更容易离开原来的位置，促进反应的进行。[5][6]其次，置换反应的进行遵循电位序列的规律[4]，并且还会受到多种因素的影响，如温度、压力、催化剂和溶剂等。合理控制这些因素可以实现反应的高效进行，并获得理想的产物。[3]
置换反应在化学合成、有机合成和无机合成中都具有应用价值。它可以用于合成特定的化合物、制备有机分子和杂化材料，并且还可以用于分析和检测等[7]方面。置换反应也被广泛运用于环境保护、废物处理和污染治理等领域，以帮助减少或转化有害物质。[8][9]
基本原理
置换反应，就是一种单质和一种化合物相互作用，生成一种新的单质和新的化合物的过程。置换反应是极力大的原子抢占极力小的原子的位置的过程。[9]它通常发生在不同原子或基团的活性度有所差异的化合物之间。
在置换反应中，极性和电位是影响置换反应发生原理的两个重要因素。极性是指分子内化学键中正负电荷分布不均衡的程度。电位是指化学物质中某一种离子或原子获得或失去一个电子时所产生的能量差。极性分子通常具有较强的亲电性，可以与其他极性分子或离子发生反应。在置换反应中，极性分子可能会被更具亲电性的分子取代。[5]离子或原子的电位差异对反应的发生和方向具有重要影响。当一个离子或原子的电位较高时，它可能会取代电位较低的离子或原子，以达到更稳定的化学状态[3]。例如，在金属置换反应中，较高电位的金属离子可以取代较低电位的金属离子，因为前者具有更强的还原能力。[6]
金属与酸
需满足条件：（1）不能用浓硫酸，硝酸等有强氧化性的酸，它们反应时，先将金属氧化成对应氧化物，氧化物再溶于酸中，然后继续氧化、溶解，反应得以继续。（2）金属在活动性顺序表中需位于氢之前。[4]
镁和酸反应
[10]
铝和酸反应
[11]
锌和酸反应
[11]
铁和酸反应
（一般情况下，铁与酸反应生成二价铁）[6]
金属跟盐溶液的置换
金属在常温下与水进行反应
钾、钠与水反应十分剧烈，有大量氢气产生；镁、铝片不与冷水反应，若加热之，镁与热水反应，也有氢气产生，铝仍不反应。[6]例如： 钠（Na）与水（H2O）的反应：
固态与气态的置换反应
固态与气态的置换反应在特定条件下进行。例如：
把氢气通入CuCl，溶液中并不发生置换出铜的反应，但把氢气通过灼热的氧化铜，则发生置换出铜的反应。在高温条件下，氢气还能与其它金属氧化物发生置换反应。在这些反应中并不服从金属置换顺序的规律。[12]
(此反应是在高温下进行)[12]
固态与固态的置换反应
（1）铝热剂的反应，反应如下：
[12]
（2）在炼钢过程中应用FeO作氧化剂氧化铁水中的杂质Si、Mn(当然还有C)等，还有应用锰铁、硅铁作为脱氧剂除去钢水中过量的FeO。它们都是置换反应。[12]例如：氧化锰（Mn）的氧化反应：
[12]
[12]
金属单质置换金属单质
金属置换金属是指在反应中，一个金属元素取代了另一个金属元素的位置。这种置换反应通常根据金属活动性顺序表进行相应的反应，其中活性较高的金属可以置换活性较低的金属。例如，铁可以取代硫酸铜的铜，生成铜单质和硫酸亚铁:
[2]
金属单质置换非金属单质
非金属单质置换金属单质
非金属单质置换非金属单质
同主族的置换反应
同主族的置换反应指的是同一主族（或同一族）中的元素之间发生的置换反应。同主族元素具有相似的化学性质，因此它们在反应中可以互相取代。例如，氯和溴都属于卤素族，它们可以发生置换反应生成不同的卤素化合物。[3]
[3]
不同主族的置换反应
不同主族的置换反应是指不同主族（或不同族）中的元素之间发生的置换反应。这类反应通常需要提供足够的能量来克服两个不同主族元素之间的电子亲和力和离子化能的差异。例如，钾和氯属于不同主族，它们可以发生置换反应生成氯化钾。[6]
[3]
同副族的置换反应
同副族的置换反应是指同一副族中的元素之间发生的置换反应。副族元素具有相似的化学性质，因此它们在反应中可以互相取代。例如，锌和镉都属于过渡金属副族，它们可以发生置换反应生成不同的金属化合物。[6]锌和镉盐（CdCl2）反应生成氯化锌和镉:
[3]
主族置换副族的置换反应
主族置换副族的置换反应指的是主族元素取代副族元素发生的置换反应。这类反应通常需要提供足够的能量来克服副族元素的高电子亲和力和离子化能。例如，钠和锌属于主族元素，它们可以发生置换反应生成不同的金属化合物。[13]锌和氯化钠反应生成氯化锌和钠:
[6]
副族置换主族的置换反应
副族置换主族的置换反应是指副族元素取代主族元素发生的置换反应。这类反应通常需要提供足够的能量来克服主族元素的高电子亲和力和离子化能。例如，铜和锌属于副族元素，它们可以发生置换反应生成不同的金属化合物。[6]锌和硫酸铜反应生成硫酸锌和铜:
[3]
单质与氧化物的置换反应
单质与非氧化物的置换反应
活动性顺序表
锂、铯、铷、钾、镭、钡、钫、锶、钙、钠、镧、镨、钕、钷、钐、铕、锕、[15]
钆、铽、镅、钇、镁、镝、铥、镱、镥、铈、钬、铒、钪、钚、钍、铍、镎、[3]
铀、铪、铝、钛、锆、钒、锰、铌、锌、铬、镓、铁、镉、铟、铊、钴、[4]
[15]
镍、钼、锡、铅、（氘分子）、（氢分子）、铜、钋、汞、银、钯、铂、金、[3]
金属活动性顺序表氢以前的金属，能从盐酸、稀硫酸等等非氧化性酸里置换出氢。氢以后的金属，一般不能置换出氢。[10]
其他条件相同时，活动顺序表上，相邻越远的两种元素越容易进行置换反应（可以发生反应的前提下）。[10]
一般对非金属元素同理。[16][8]
反应体系温度
在高温条件下，氢气能与其它金属氧化物发生置换反应，在这些反应中不服从金属置换顺序的规律。[12]
例如在温度较高时，氢气不仅能从固态的氧化铜、氧化汞中置换出金属，还能从比较活动金属(铁、铅等)的氧化物中置换出金属。[10][7]
温度适当升高，一般有利于加快置换速度。[17]
搅拌速度
置换剂的粒度
置换剂的粒度细则比表面增加，有利于加快置换速度。[17]
置换产物的形貌
置换过程主要在已沉积的金属表面进行，其形状越复杂、表面越粗糙，则置换过程的速度越快。[17]
溶液中其他离子的影响
溶液中的其他离子将对置换过程的影响有两种情况：有利或不利。以用锌置换Ag+为例，溶液中Na+、K+、Li+能使析出的银表面粗糙，导致相应的置换速度加快，而氧会使银表面形成氧化膜，表面致密会相应地降低置换速度。同样采用锌置换铜、镍和钴时，Cu2+的存在会使Ni、Co被快速置换，含Ni和Co的质量分数分别为10×10-3和40×10-6的混合溶液而言，其中Co的置换速度常数比纯Co溶液的大4倍左右。[17][18]
反应时间
在反应的前期置换速度随时间的延长而加快，分析其原因是置换的生成物与置换剂之间形成了原电池，同时生成物的表面积逐步增大，因而加快了反应速度。[17]
离子溶解度
置换反应还受到离子溶解度的影响。如果产生的产物不溶于溶液中，则会形成沉淀反应。溶解度是描述溶液中物质溶解程度的指标，对于预测置换反应的发生和产物的形式非常重要。[14][3]
金属活动性顺序简表
中，10号氢是过渡元素，它前面的可以置换出氢（有例外，见注解），它后面的则不可以。也就是说：氢前面的可以和酸反应生成氢气，而氢后面的基本不和酸反应，就算反应也不生成氢气[6]
1、金属单质+酸→盐+氢气[6]
镁和酸反应
（有气泡产生）[3]
铁和酸反应（有气泡产生，溶液由无色变成浅绿色[19]）
[6]
2、金属单质+盐(溶液)→另一种金属+另一种盐
铁与硫酸铜反应（现象：铁条表面覆盖一层红色的物质，溶液由蓝色变成浅绿色）[6]
锌片放入硫酸铜溶液中（现象：锌片表面覆盖一层红色的物质，溶液由蓝色变成无色）[3]
铜片放入硝酸银溶液中（现象：铜片表面覆盖一层银白色的物质，溶液由无色变成蓝色）[11]
3、金属氧化物+或→金属+或
焦炭还原氧化铁（现象：红色粉末变成黑色，澄清石灰水变浑浊）[8]
木炭还原氧化铜（现象：黑色粉末变成红色，产生的气体可以使澄清石灰水变浑浊）[17]
氢气还原氧化铜（现象：黑色粉末变成红色，试管内壁有水珠生成）[20]
氢气与氧化铁反应（现象：红色粉末逐渐变为黑色，管内壁有水珠生成）[21]
水蒸气通过灼热碳层（水煤气的制法，不标气体符号）[12]
金属加工和制造
化学工业
电池和电化学
资源再生与循环利用
置换反应在环保领域具有重要意义。通过置换反应，可以实现废弃物中有价值成分的提取和再生，从而减少资源浪费和环境污染。例如，废旧金属的回收利用，通过置换反应提取有价值的金属，降低对自然资源的开采。[21][20]
污染物治理与环境保护
置换反应在环境保护方面也有广泛应用。例如，废水处理中，利用置换反应将有害金属离子转化为不溶性沉淀物，从而降低废水中有害物质含量。此外，土壤修复领域中，通过置换反应将污染土壤中的重金属离子去除，从而减轻土壤污染。[21][24]
能源节约与减排
置换反应在能源领域也有重要应用。例如，在金属冶炼过程中，通过置换反应优化工艺流程，降低能耗。此外，在电池和电化学领域，置换反应可实现能源的高效转化，从而降低碳排放。[21][25]
参考资料 25
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- The ACS Campaign for a Sustainable Future Strategic Initiative — https://www.acs.org/
- 参考 19
- https://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ChlQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3UzIwMjMwODMxEg5zeXNreDIwMTcwMzAwMRoIbHY2MTEyZGs%3D
- 参考 21
- https://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ChlQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3UzIwMjMwODMxEhF6eGh4anhjazIwMjMwNzAxNxoIMnI0Z3lncGg%3D
- 参考 23
- 参考 24
- https://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ChlQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3UzIwMjMwODMxEg94dHh5eGIyMDAxMDQwMzEaCDJyNGd5Z3Bo