神奇的化学反应终章

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18.铜和硝酸

原理:铜与浓硝酸反应,生成硝酸铜、二氧化氮和水,生成的气体通入水中,随着气体生成停止并逐渐溶解,水倒吸进入反应瓶,最终形成淡蓝色的硝酸铜溶液。

Cu(s)+4HNO3(aq)→Cu(NO3)2(aq)+2NO2(g)+2H2O(l)

一开始出现的绿色与浓酸条件下铜离子与硝酸根的结合有关[2],而在引入更多水之后,溶液就显示为水合铜离子的蓝色了。

花絮:铜和浓硝酸大概是最难背的高中化学反反应了……等等,还有稀硝酸。你还记得怎么配平吗?

录制者:RoyalSocietyofChemistry

危险:中,浓硝酸具有较强腐蚀性,推荐使用手套和护目镜。二氧化氮气体有毒,不过在该实验中大部分生成气体都会被水吸收。后半部分倒吸造成的“喷泉”现象有较小的造成烧瓶损坏的风险,如果在开放实验室中进行,应使用安全屏保护观众。

19.锂树银花

原理:这是金属锂燃烧的景象,燃烧过程中固态的金属锂不断熔化,并生成氧化锂。锂的焰色反应为红色,但当剧烈燃烧时火焰呈现一种“亮银色”的状态。

花絮:和其他碱金属一样,锂火不能用水来扑灭,需要专门的干粉灭火剂。

录制者:NickMoore

危险:中。任何时候都不能对火掉以轻心。

20.小熊糖火山

原理:试管中是加热到熔融状态的氯酸钾,氯酸钾发生热分解产生氧气,试管中的氧气和热足以点燃小熊软糖中的糖类等有机物。氧气促进燃烧,而燃烧产生的热量又进一步促进氯酸钾分解产生更多氧气,因此就产生了剧烈的燃烧反应。

花絮:这个实验还有一个更加丧心病狂的超大号版本(原视频录制者:Vat19):

录制者:wallsacc

危险:高。反应非常剧烈,尤其是超大号版本绝对不建议在家尝试(浪费食物不是好孩子!)。

21.金雨

原理:这是硝酸铅与碘化钾发生的复分解反应,其中析出的金黄色结晶为碘化铅。反应式:Pb(NO3)2+2KI→2KNO3+PbI2↓

花絮:碘化铅晶体是一种可以用于X射线和γ射线探测的材料。

危险:高,处理铅盐时必须谨慎防护以防中毒。

录制者:Thoisoi2-ChemicalExperiments!

22.魔性之环

原理:这是一个发生在平皿薄层上的B-Z反应(Belousov-Zhabotinsky反应)的例子。B-Z反应是一种化学震荡反应,它最早在20世纪50年代被发现。反应体系会在两种状态之间不断进行周期性变化,平皿上的“波纹”也会不断变换。B-Z反应有多种版本,上图中是它的一个常见版本,溴酸盐与丙二酸发生氧化还原反应,以铈盐及邻二氮菲亚铁离子(ferroin,在还原态为红色,氧化态为蓝色)作为催化剂和反应指示剂。

花絮:目前,对B-Z反应的动力学研究依然在进行中,研究者们也对反应过程进行了很多数学计算。下面就是一个计算机模拟出的平皿B-Z反应的图像,是不是感觉更加魔性了呢……

(图片来自:wikipedia)

危险:中低。反应本身并不剧烈,不过溴酸盐对人具有刺激性,配制反应溶液时依然要注意防护。

录制者:TimKench

23.水下花园

原理:在硅酸钠的水溶液中加入一些金属盐类的结晶颗粒(例如铜盐、钴盐等),就可以观察到溶液中树枝状的结构逐渐“生长”的过程。投入的结晶颗粒逐渐溶解,释放出金属离子,而这些金属离子又会与硅酸钠形成难以溶解的硅酸盐结晶,沉积在最初的结晶颗粒之上。而且,各种过渡金属离子的硅酸盐还可以呈现不同的颜色,使花园更加美丽。以下是“花园”中常用的一些反应物和对应的硅酸盐颜色:

明矾(硫酸铝钾)——白色

硫酸铜——蓝色

三氯化铬——绿色

硫酸镍——绿色

硫酸亚铁——绿色

三氯化铁——橙色

氯化钴——紫色

花絮:如果把化学花园搬到太空中会是什么样?NASA曾在国际空间站上进行过实验[1,2]:

危险:较低。

录制者:XTrBass

24.氢化钠

原理:这是氢化钠与水发生的反应,生成氢氧化钠和氢气,溶液中加入了酚酞作为指示剂,因此呈现紫红色。

花絮:氢化钠是一种碱性非常强的物质,它可以夺取很多化合物中的质子形成相应的钠化合物,这在有机合成中非常实用。

危险:高。氢化钠的性质非常活泼,反应剧烈。

录制者:PeriodicVideos

25.碘铝反应

原理:碘单质与金属铝的粉末混合,并加入少量水即可引发剧烈反应。主要反应式:2Al(s)+3I2(s)→Al2I6(s),水在其中起到催化剂的作用。随着反应进行,碘单质也会升华形成紫色的碘蒸气。

花絮:说到铝粉,最让人印象深刻的大概就是铝热反应了,下面就让我们来重温一下:

危险:中高。反应剧烈,碘蒸气具有刺激性,应注意保护眼部,并在通风橱中进行。加水后反应可能需要稍等片刻才会开始,此时不要着急凑近查看。

录制者:ScottMilam

26.金色氧化锌

原理:在加热至高温时,白色的氧化锌粉末会逐渐变成金黄色,在空气中冷却时颜色又会褪去。产生颜色的原因是高温下氧化锌晶体失去部分氧原子,从而形成晶格缺陷。

花絮:很多宝石的色彩也与晶格缺陷有关,例如彩色的钻石。

危险:中高。观察氧化锌变色需要将其加热到℃左右[3],使用高温火焰需要格外当心。

录制者:AppliedScience

27.鲁米诺发光

原理:鲁米诺(3-氨基邻苯二甲酰肼)是一种常用的发光化学试剂。在演示实验中,一般用双氧水和一种氢氧化物碱(例如氢氧化钠)的溶液作为激发剂,并用含铁化合物催化过氧化氢分解。鲁米诺与氢氧化物反应生成了一个双负离子,这个离子又可以与过氧化氢分解产生的氧气反应,生成激发态的3-氨基邻苯二甲酸,当它回到基态时,就会发出蓝色的光。

(图片来自:wikipedia)

花絮:估计不少人都是从刑侦剧或者推理小说中听说鲁米诺试剂的,如果将上述反应中的催化剂换成血液中的铁,这也就成了一个检测痕量血迹的反应。

危险:较低,需要留意氢氧化物和双氧水的腐蚀性。

录制者:bkrieg

28.人造烟雾

原理:在纸片的不同位置上事先分别滴上了浓盐酸和浓氨水,这两种东西都有极强的挥发性,而它们在空气中相遇也会形成氯化铵,营造出烟雾效果。

花絮:另外一个常见的演示实验“氨气喷泉”展示了这种气体在水中极强的溶解性。当瓶中的氨气接触含有酚酞的水时,它们迅速溶解造成瓶内压强减小,形成粉色的倒吸喷泉:

危险:较低,不过浓盐酸和浓氨水具有刺激性,需要注意通风,避免吸入。

录制者:NightHawkInLight

29.火球

原理:右边两个表面皿中的固体和液体分别是高锰酸钾与浓硫酸。在这里,浓硫酸表现出了它的“脱水性”,它与高锰酸钾固体反应,生成了七氧化二锰(高锰酐)。七氧化二锰是一种不稳定的强氧化物,当它接触到棉花时,可以与之反应并造成燃烧。

花絮:在历史上,硫酸也曾经被用于引燃火柴。第一个现代意义上的火柴是年时让·斯尔(JeanChancel)发明的,火柴头上加入了氯酸钾、硫磺、糖等物质,使用时需要在装硫酸的小瓶中浸一下引发反应。

危险:中高,浓硫酸需要格外小心操作,注意防护并远离易燃物,需要在通风良好处进行。高锰酐具有腐蚀性、强氧化性和爆炸性,实验时应佩戴护目镜或面罩,并保证只进行少量混合。不要擅自增加反应物量或用其他有机物反应,因为反应可能会过于剧烈。

录制者:royalchemistrysociety

30.聚合泡沫

原理:这是生成聚氨酯泡沫材料的反应,原料包括异氰酸酯、多元醇以及发泡剂等助剂。聚氨酯(PU)是指主链中含有氨基甲酸酯特征单元的一类高分子,它们化学性质稳定,而且力学性能也有很大的可调性,因此在工业和生活中都有广泛的应用。聚氨酯泡沫可以作为保温材料使用。

花絮:举个例子,就能让你体会到聚氨酯的“戏路”有多广:市面上的人造皮革制品大多是聚氨酯材质的,而最常见的非乳胶型避孕套所用的也是聚氨酯,它还可以做成沙发软垫和鞋底。

危险:较低,应注意避免吸入,避免接触皮肤和眼睛。聚氨酯泡沫本身是相当易燃的,因此很多商业产品都会预先加入阻燃剂。

录制者:MaciejMiksztowicz

31.干冰与镁

原理:镁条点燃后放在干冰当中,反应式:2Mg+CO2→2MgO+C,反应发出耀眼的强光。

花絮:最早的闪光灯就利用了镁发出的强光,因此它也被称为“镁光灯”。

危险:高。反应过程中,有火花溅出的可能,需要移除附近所有的可燃物,并使用防护隔板。

录制者:GrantThompson-TheKingofRandom

32.红绿灯

原理:瓶中的溶液加入了3种成分:氢氧化钠、D-葡萄糖和靛蓝胭脂红(indigocarmine,或称酸性靛蓝)。靛蓝胭脂红是一种氧化还原指示剂,而同时它又有酸碱指示剂的作用,也就是说,在氧化还原反应和pH值的作用下,它可以变幻出多种颜色。靛蓝胭脂红有三种颜色不同的氧化还原状态,在这个反应体系中,当振摇瓶子时,它会被空气中的氧气氧化,而在静置时又被葡萄糖还原,由此就造成了变色。如果在不同的pH环境中进行反应,颜色也会随之改变。下图中总结了具体的变色状态:

根据皇家化学学会提供的内容重新制图。

花絮:除了指示剂,靛蓝胭脂红还有别的用途。它是一种食品色素(E),在一些泌尿系统手术中也会用到它。

危险:低。在这里氢氧化钠起到调节pH的作用,不会用到很浓的溶液,葡萄糖和靛蓝胭脂红也比较安全。

录制者:royalchemistrysociety

33.分层变色

原理:试管下面橙色的部分是加入了一些硫酸的重铬酸钾溶液,上面透明的部分是乙醚,引发反应时在其中加入了一些双氧水。接下来,体系内会发生剧烈的反应,上面的有机层变成蓝色,并产生气体。

当加入过氧化氢时,水相中会发生如下反应:K2Cr2O7+H2SO4+H2O2→2CrO5+K2SO4+5H2O。这里生成的过氧化铬(CrO5,又叫五氧化铬)是一种不稳定的过氧化物,它可以溶于乙醚,并带来深蓝色。而不稳定的过氧化铬还会继续发生反应,生成三价铬盐:2CrO5+7H2O2+3H2SO4→Cr2(SO4)3+10H2O+7O2,试管中冒出的气泡就是这步反应中产生的氧气[1]。

花絮:过氧化铬在水溶液中也是蓝色的,只不过通过乙醚萃取,可以让蓝色保持较长的时间,以方便观察。

危险:中高,反应剧烈,需要戴好手套和护目镜,不要把试管装得太满。

录制者:Thoisoi2-ChemicalExperiments




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