让你秒懂化学反应原理! 考试次次拿第一 32张你没看过的酷炫化学动图,

作者:高中生学习 / 公众号:gzsxuexige 发布时间:2019-09-19


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化学的神奇魅力可是不是随便说说的,神奇起来让人叹为观止。下面就让学习哥带领大家看看传说中的37张神图,了解化学之美吧。
1 . 硫氰酸汞分解(“法老之蛇”)
原理:硫氰酸汞受热分解,部分产物燃烧。
2Hg(SCN)2 → 2HgS + CS2 + C3N4CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO22C3N4 → 3(CN)2 + N2
花絮:硫氰酸汞于1821年由德国人合成,之后不久它燃烧的特殊现象就被发现。很长一段时间里作为一种焰火在德国出售,但是最终因为多例小孩误食而中毒的事故被禁止。
录制者:ChemToddler
危险:高。汞化合物有毒,反应产生的硫化汞、二氧化硫和氰气也有毒。没有通风橱和专业人士指导,切勿自行尝试!
2 . 火柴燃烧
原理:火柴头包含红磷、硫和氯酸钾。擦火柴时产生的热量使红磷和硫燃烧、氯酸钾分解出氧气辅助燃烧。
花絮:最早的摩擦式火柴头上只有硫,1826年英国化学家约翰·沃克首先使用了氯酸钾,但他的火柴非常危险,经常有火球掉下去把衣服和地毯点着。
录制者:UltraSlo
危险:很低,但请勿给小孩火柴玩,可能造成火灾。
3 . 氢气遇到火
原理:氢气易燃易扩散,在空气中可以爆炸式燃烧。
花絮:兴登堡号飞艇的下场就是这一幕的放大版。
录制者:Prf Slo & Dr Mo
危险:中。由于爆炸可能伤人,请像图中那样遥控点燃。
4.汞和铝锈
原理:铝是高度活泼的金属,但是表面的氧化铝层阻止了它和空气中氧气完全反应。而汞会破坏这一保护层,使得铝迅速“生锈”。
这是一段延时摄影。该过程真实长度约半小时。如果画面下移,你会看到底下有一大堆铝锈粉末。
花絮:这是飞机上严禁携带水银的原因之一。有传说称二战时一些美军突击队员会携带汞用来破坏德国飞机。
录制者:Theodore Gray
危险:中低。汞单质有毒,不可食用,请在空气流动通畅的地方实验以免汞蒸汽中毒。
5.铁棒与硫酸铜
原理:将除锈处理后的铁棒放入硫酸铜溶液中,铁单质比铜更加活泼,置换出来的铜形成漂亮的松散沉淀。
溶液原本是蓝色的(水合铜离子颜色),随着反应进行,蓝色逐渐变淡。
花絮:铜离子本身并没有蓝色,无水硫酸铜是白色粉末。水溶液中蓝色的是六水合铜离子。
录制者:DizzyCtube
危险:低。铜溶液有毒,不可食用。
6.气体点燃
原理:燃烧需要可燃物和氧气接触,狭窄的瓶口使得氧气只能逐渐进入,燃烧面逐渐下移。
录制者:FabianOefner
危险:中高。可燃气体处理不当极易导致爆炸。
7.燃烧的镁投入水中
原理:常温下镁与水其实就可以反应,但除非是镁粉,否则速度很慢。高温时二者会剧烈反应生成氧化镁和氢气。氢气继续燃烧,和燃烧的镁一起产生炫目的光影效果。
花絮:这个反应是日本设计的一种试验性发动机的基本原理。镁和水反应生成的氧化镁在激光的作用下重新分解成镁单质和氧气,整个反应只消耗水,而激光则由太阳光提供动力。不过这一发动机投入使用似乎还很遥远。
录制者:Periodic Videos
危险:中。镁燃烧时高温,遇水剧烈反应可能溅出红热液态镁导致烫伤。
8.丙酮“溶解”泡沫塑料
原理:浅浅一层丙酮并不能真的把整块泡沫塑料“溶解”,实际上它只是溶解了聚苯乙烯的长链,让泡沫塑料里的大量空气逃逸出去。但是,长链交联的地方丙酮无能为力,所以碗底部还会剩下残存的聚苯乙烯。
花絮:502胶滴到泡沫塑料上发生的事情与此类似。
录制者:Barrett
危险:低。丙酮有一定毒性和挥发性,应在通风处实验,勿饮用。
9.血液和过氧化氢
原理:血液中有高效的过氧化氢酶,能够催化过氧化氢分解为水和氧气,大量氧气形成泡沫效果。
花絮:过氧化氢酶是一种非常常见的酶,几乎所有好氧生物体内都有发现。在细胞内它的主要作用是催化活性氧成为氧气,阻止它破坏细胞。过氧化氢酶也是所有酶中效率最高的酶之一,每个酶分子每秒钟可以催化数百万个过氧化氢分子。
录制者:Igor30
危险:低至中。高浓度过氧化氢腐蚀性很强,但低浓度比较安全。没有其他威胁,除非你的血液来源有问题……
10.大象牙膏
原理:这个反应的核心和上期里的血液反应一样,是过氧化氢分解。30%过氧化氢和液体肥皂混合,加入一些食用色素,再加入碘化钾作为催化剂。少量的过氧化氢就可产生大量氧气,在肥皂作用下形成泡沫涌出。
一种更加安全的版本是用低浓度(3%-6%)过氧化氢,用干酵母作为催化剂,原料更易得,但反应也没有那么剧烈。
花絮:反应后会有大量氧气聚集在瓶内,可以试着关灯然后往里丢一根火柴观察燃烧。小心火灾。
录制者:chemtoddler
危险:低至中。浓过氧化氢腐蚀性强,处理时请戴手套。
P.S.这个实验还有一种做法(出处未找到):
11.灯泡中的的宇宙
原理:这是一个闪光灯泡,内装锌丝和氧气,通电即点燃,只能使用一次。外面包有一层塑料膜以防万一灯泡破碎。在现代电子闪光灯出现之前它是主要的闪光道具,抵达满亮度所花时间更长,但燃烧时间也更长。
此图在网上传播时很多人说它是灯泡烧断的瞬间,可惜普通钨丝灯泡到寿命时只会慢慢黯淡下去。
花絮:早期的闪光灯泡使用镁丝,亮度不如锌。更早的则是敞开环境下镁粉和氯酸钾混合点燃。这就是“镁光灯”一词的来历。
此外,许多网友表示,“这就是我们的宇宙啊”。
录制者:2FC filmpruduction
危险:低。使用后灯泡会非常烫,不可立即用手碰。
12.五光十“铯”
原理:铯是活泼的碱金属,和水爆炸式反应生成氢气。高速摄影需要极强的光,光照产生的高温使得铯无法保持固态,因此实验采用安瓿来装液态铯。小锤击碎安瓿瞬间,铯液滴倾泻而出,在空中就和水蒸气、氧气反应留下尾迹,大块入水后产生爆炸式反应。
花絮:在互联网上有这样一个钓鱼贴,“……爱迪生等得不耐烦了,拿过铯块,浸在水中,将溢出的水倒在了量杯里量出体积,就知道了铯块的体积。”也许这才是爱迪生耳聋的真正原因?
录制者:PeriodicVideos
危险:高。铯与水反应非常剧烈,注意防护。
13.锌火
原理:这种液体是二乙基锌。它是一种极易燃烧的有机锌化合物,接触氧气便自燃。真正的二乙基锌如此图所示是蓝色火焰,但是网上流传最广的视频/动图来自2008年诺丁汉大学,他们拍到了黄色的火焰——照他们自己的说法,这是钠污染所致。
花絮:二乙基锌于1848年发现,是第一个有机锌化合物。它在有机合成中的应用极其广泛,也曾被早期火箭研究者用作液体燃料。
录制者:PeriodicVideos
危险:高。能自燃的没几个好东西,何况是液态。
14.火山炎魔
原理:外层红色粉末是重铬酸铵,它不稳定,受热分解可以产生大量暗绿色灰烬(三氧化二铬)和明亮的红色火焰。
(NH4)2Cr2O7(s) →Cr2O3(s) +N2(g) + 4H2O(g)
这一效果很像火山爆发。
而藏在里面的就是上期介绍过的硫氰酸汞“法老之蛇”了。
花絮:重铬酸铵有个外号叫“维苏威之火”,就是因为它的这个效果。它在焰火和早期摄影术里都有应用。搭配硫氰酸汞感觉像是召唤了克苏鲁……
录制者:Trollator
危险:高。重铬酸铵和所有六价铬一样有毒、有刺激性。密闭容器中受热可能导致爆炸。至于硫氰酸汞请参见上期。
15.铝遭遇溴
原理:铝是极活泼的金属,因为表面致密氧化层而在空气中稳定,但会和很多其它氧化剂剧烈反应。溴就是其中之一。生成的三溴化铝溶于水的反应也会放热,可能导致爆炸。实验完的试管必须先冷却然后用轻柔的水流慢慢溶解,清洗后还要加入硫代硫酸钠溶液以还原任何残留的溴。
花絮:“三溴化铝”真正的存在形态其实是Al2Br6,它十分稳定,哪怕气化之后也只有一部分会分解成AlBr3。
录制者:ChemToddler
危险:高。溴有挥发性和腐蚀性,吸入有毒,需防护措施。反应剧烈且有喷溅,请务必从少量开始!
16.暗之柱
原理:黑咖啡可不会变成这东西。杯中是对硝基苯胺和浓硫酸的混合物,加热后发生非常复杂的反应——事实上,我们还不完全清楚反应的详细过程。最后得到的黑色泡沫物原子比例为C6H3N1.5S0.15O1.3,几乎肯定是对硝基苯胺交联后的多聚物,整个反应有时被称为“爆炸式聚合”。膨胀成这么大这么长是反应生成二氧化碳等气体的功劳。
花絮:这个反应是70年代NASA研究者发现的,他们当时考虑过把它用作灭火剂——因为生成的黑色泡沫状物非常稳定,隔热性能也极好。
录制者:plasticraincoat1
危险:中高。对硝基苯胺有毒,浓硫酸也有危险,反应还生成氮氧化物和硫氧化物气体。
P.S. 最后一个实验请勿联想。
17.红与黑
原理:这是“碘钟反应”的一个变种。实验中所用到的三种无色透明溶液(从前到后)分别加入了:
1、可溶性淀粉和焦亚硫酸钠
2、氯化汞
3、碘酸钾
其中发生的反应包括:
1、焦亚硫酸钠与水反应生成亚硫酸氢钠 Na2S2O5 + H2O → 2 NaHSO3
2、亚硫酸氢钠将碘酸根还原为碘离子 IO3- + 3HSO3- → I- + 3SO42- + 3H+
3、随着碘离子浓度的升高,可溶性的汞盐开始与碘离子形成碘化汞沉淀(橙红色)Hg2+ + 2 I- → HgI2
4、剩余的碘离子与碘酸根离子生成碘单质 IO3- + 5I- + 6H+ → 3I2 + 3H2O
5、碘单质与可溶性淀粉结合形成蓝黑色的包合物
花絮:这个改良版的反应由两名普林斯顿大学的学生发明,他们在其中加入了汞盐,使这个反应可以先后形成橙红色和黑色,而橙黑配正是普林斯顿大学的代表色。这个反应通常被称为“Old Nassau Reaction”,其中“Old Nassau”指的就是普林斯顿大学[1]。因为颜色的缘故,它也被叫做“万圣节反应”。
录制者:ChemToddler'schannel
危险:高。氯化汞毒性很强,吸入、皮肤接触或误食时均有较高风险,请勿在家尝试。
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:Royal Societyof Chemistry
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:Nick Moore
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 -Chemical Experiments!
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:Tim Kench
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:Scott Milam
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800℃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:bkrieg564
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1805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:royalchemistry society
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:Grant Thompson- "The King of Random"
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(indigo carmine,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(E132),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:royalchemistry society
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 →2 CrO5 + 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 - Chemical Experiments!
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