水火交融与红黑变幻：化学实验中的奇妙反应原理及危险提示

水火交融与红黑变幻：化学实验中的奇妙反应原理及危险提示

17.水与火的融合

原理：在烧杯底部放入少量乙醚和金属钾，加入水后，金属钾与水反应生成氢气并产生大量的热，引起氢气与乙醚蒸气的燃烧，隐约可见的紫色火焰，就是钾离子的火焰显色反应。

有趣的事实：在元素周期表中，碱金属的化学性质越低，它们就越活跃，与水的反应也越剧烈。当然，铯才是真正的杀手。

記錄者：

危险性：中至高。金属钾活性大，乙醚易挥发、易燃，应注意防火。

18.红色和黑色

原理：这是“碘钟反应”的一种变型，实验所用的三种无色透明溶液（从前到后）分别加入：

1. 可溶性淀粉和焦亚硫酸钠

2.氯化汞

3.碘酸钾

反应包括：

1. 亚硫酸氢钠与水反应生成亚硫酸氢钠 + H2O → 2

2. 亚硫酸氢钠将碘酸根还原为碘离子IO3- + 3HSO3- → I- + 3SO42- + 3H+

3. 随着碘离子浓度的增加，可溶性汞盐开始与碘离子反应，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反应生成碘IO3- + 5I- + 6H+ → 3I2 + 3H2O

5. 碘与可溶性淀粉结合形成蓝黑色包合物

有趣的事实：该反应的改良版本是由两名普林斯顿大学的学生发明的，他们在反应中添加了汞盐，结果形成了橙红色，然后是黑色，这是普林斯顿大学的颜色。该反应通常被称为“Old”，其中“Old”指的是普林斯顿大学 [1]。由于颜色的原因，它也被称为“万圣节反应”。

記錄者：'

危害：高。氯化汞毒性极强，吸入、接触皮肤或吞食均有很高的风险。请勿在家中尝试。

19.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，水被吸回反应瓶中，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)

最初的绿色与浓酸条件下铜离子与硝酸根离子的结合有关[2]，而加入更多的水后，溶液变成蓝色，这是水合铜离子的颜色。

补充：铜和浓硝酸可能是高中化学中最难记住的反应……等等，还有稀硝酸。你还记得如何平衡它吗？

記錄者：Royal

危险：浓硝酸腐蚀性强，建议佩戴手套和护目镜。二氧化氮气体有毒，但在本实验中，产生的气体大部分会被水吸收。后半部分回吸引起的“喷泉”现象有损坏烧瓶的轻微风险。如果在开放式实验室进行，应使用安全屏保护观众。

20.甲烷气泡

原理：将甲烷通入肥皂水中，产生甲烷气泡，当点燃气泡时，气泡内的甲烷气体迅速燃烧。

有趣的事实：事实上，甲烷气泡在自然界中也可以找到。它们出现在冬天的一些冰冻湖泊中。这些气泡也非常易燃。

記錄者：

危险：中等。请佩戴护目镜，远离易燃物品，并使用长杆点火工具远距离点火。

21. 魔法除尘器

原理：其实跟掸子没关系，而是纸上爆炸的物质。三碘化氮是一种接触即爆炸的物质，稍有搅动就会爆炸分解，产生紫色的碘蒸气。

有趣的事实：另一种爆炸性分解的物质是叠氮化钠，它也用于汽车安全气囊，因为它在受到撞击时分解会产生大量氮气。

录音者：Sully

危险程度：高。无论如何，这都是一次爆炸。

22.锂树银花

原理：这是金属锂燃烧的场景，在燃烧过程中，固态的金属锂不断熔化，生成氧化锂，锂的火焰颜色为红色，但剧烈燃烧时，火焰呈现“亮银色”状态。

有趣的事实：与其他碱金属火灾一样，锂火灾不能用水扑灭，需要特殊的干粉灭火器。

录音者：Nick Moore

危险程度：中等。切勿轻视火灾。

23. 小熊软糖火山

原理：将氯酸钾在试管中加热至熔融状态，发生热分解产生氧气，试管中的氧气和热量足以点燃小熊软糖中的糖分等有机物，氧气促进燃烧，燃烧产生的热量又促使氯酸钾分解产生更多的氧气，从而产生剧烈的燃烧反应。

附赠：本次实验还有一个更加离谱的超大版本（原始录像者：Vat19）：

記錄者：

危险性：高。反应非常剧烈，尤其是超大尺寸的版本。绝对不建议在家尝试（浪费食物可不好，孩子！）。

24.金雨

原理：这是硝酸铅和碘化钾的复分解反应，析出的金黄色晶体即为碘化铅。反应式：Pb(NO3)2 + 2KI →2KNO3 + PbI2 ↓

有趣的事实：碘化铅晶体是一种可用于探测 X 射线和伽马射线的材料。

危险性：高，处理铅盐时必须小心谨慎，以防中毒。

記錄者：-！

25. 绿色火焰

原理：这种看上去有点傻乎乎的火焰是由硼酸三甲酯燃烧产生的。硼酸三甲酯是一种无色透明、高度易燃的液体。蓝绿色的火焰是硼原子特有的火焰变色反应。

补充：钡盐和铜盐的火焰显色反应也呈现绿色，下图是氯化铜（左）和硼酸三甲酯（右）的火焰颜色对比：

（图片来源：）

危险性：中高。该液体高度易燃。

記錄者：

26. 魔法戒指

原理：这是发生在薄板上的BZ反应（-反应）的例子。BZ反应是上世纪50年代首次发现的化学振荡反应，反应体系会在两种状态之间不断发生周期性变化，板上的“波纹”也会不断变化。BZ反应有很多版本，上图是其中一种常见的版本。溴酸盐和丙二酸发生氧化还原反应，以铈盐和邻二氮菲亚铁离子（还原态呈红色，氧化态呈蓝色）为催化剂和反应指示剂。

小贴士：目前，BZ反应的动力学还在研究中，研究人员也对反应过程进行了大量的数学计算。下面是计算机模拟的平皿中BZ反应的图像。是不是感觉更加神奇了呢？

（图片来源：）

危险性：中到低。反应本身并不剧烈，但溴酸盐对人体有刺激性，所以在配制反应溶液时仍需注意防范。

录音者：Tim Kench

27.水下花园

原理：在硅酸钠的水溶液中加入一些金属盐（如铜盐、钴盐等）的结晶颗粒，可以观察到溶液中树枝状结构的逐渐“生长”。加入的结晶颗粒逐渐溶解，释放出金属离子，金属离子又与硅酸钠形成不溶性硅酸盐晶体，沉积在初始结晶颗粒上。而且，各种过渡金属离子的硅酸盐还能呈现不同的颜色，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（硫酸钾铝）-白色

硫酸铜-蓝色

三氯化铬-绿色

硫酸镍-绿色

硫酸亚铁-绿色

氯化亚铁-橙色

氯化钴-紫色

补充：如果我们把化学花园搬到太空会是什么样子？NASA 已经在国际空间站进行了实验 [1,2]：

危险程度：低。

記錄者：

28. 氢化钠

原理：这是氢化钠和水反应，生成氢氧化钠和氢气。溶液中加入酚酞作为指示剂，因此呈现紫红色。

小贴士：氢化钠是一种强碱性物质，它可以从很多化合物中夺取质子，生成相应的钠化合物，在有机合成中非常实用。

危险性：高。氢化钠非常活泼，反应剧烈。

記錄者：

29.碘-铝反应

原理：将碘与铝粉混合，加入少量水，即可发生剧烈反应。主要反应式为：2Al(s)+3I2(s)→Al2I6(s)，其中水起催化剂的作用。随着反应的进行，碘也会升华，形成紫色的碘蒸气。

题外话：说到铝粉，最让人印象深刻的可能就是铝热反应了。下面我们来回顾一下：

危险性：中到高。反应剧烈，碘蒸气有刺激性。注意保护眼睛，在通风橱内操作。加水后反应可能需要一段时间才能开始。不要急着检查。

录音者：Scott Milam

30.金色氧化锌

原理：白色氧化锌粉末在高温下加热时，逐渐变成金黄色，在空气中冷却时颜色变淡。颜色的产生是因为氧化锌晶体在高温下失去部分氧原子，从而形成晶格缺陷所致。

有趣的事实：许多宝石的颜色也与晶格缺陷有关，例如彩色钻石。

危险程度：中至高。要观察氧化锌的颜色变化，必须将其加热到约 800°C [3]。使用高温火焰时必须格外小心。

記錄者：

31.鲁米诺

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，一般用过氧化氢和氢氧化物碱（如氢氧化钠）的溶液作为激发剂，用含铁化合物催化过氧化氢的分解。鲁米诺与氢氧化物反应生成双负离子，该负离子可与过氧化氢分解产生的氧反应生成激发态的3-氨基邻苯二甲酸，当其回到基态时，就会发出蓝光。

（图片来源：）

补充：很多人可能在犯罪剧或悬疑小说中听说过鲁米诺试剂。如果将上述反应中的催化剂换成血液中的铁，它就变成了检测微量血液的反应。

危险性：低，但注意氢氧化物和过氧化氢的腐蚀性。

記錄者：

32. 人造烟雾

原理：将浓盐酸和浓氨水预先滴在纸片的不同位置，这两种物质都极易挥发，在空气中相遇会形成氯化铵，产生烟雾效果。

小贴士：另一个常见的演示实验“氨水喷泉”演示了这种气体在水中的强溶解性。当瓶中的氨水与含有酚酞的水接触时，它迅速溶解，导致瓶内压力下降，形成粉红色的回流喷泉：

危险性：较低，但浓盐酸、浓氨水有刺激性，需注意通风，避免吸入。

記錄者：

33.火球

原理：右边两个表面皿里的固体和液体分别是高锰酸钾和浓硫酸。这里浓硫酸表现出“脱水”状态，与高锰酸钾固体反应生成七氧化锰（高锰酸酐）。七氧化锰是一种不稳定的强氧化物，与棉花接触后能发生反应，引起燃烧。

有趣的事实：历史上，硫酸也被用来点燃火柴。第一根现代火柴是由 Jean 于 1805 年发明的。火柴头中添加了氯酸钾、硫、糖和其他物质。使用时，需要将其浸入一小瓶硫酸中以引发反应。

危险：高至中浓度硫酸操作时需格外小心，注意防护，远离易燃物，并在通风良好的地方进行。高锰酸酐具有腐蚀性、强氧化性和爆炸性，因此实验时应戴护目镜或口罩，并且只能进行少量混合。不要擅自增加反应物的量或与其他有机物质发生反应，否则反应可能过于剧烈。

記錄者：

34.聚合物泡沫

原理：该反应生成聚氨酯泡沫材料，原料包括异氰酸酯、多元醇和发泡剂等助剂。聚氨酯（PU）是指主链中含有氨基甲酸酯特征单元的一类聚合物，化学性质稳定，力学性能可调性好，因此在工业和生活中有着广泛的应用。聚氨酯泡沫可作为保温材料。

附言：我举个例子来说明聚氨酯的用途有多广：市面上大部分人造革产品都是聚氨酯制成的，最常见的非乳胶避孕套也是聚氨酯制成的。它还可以制成沙发垫和鞋底。

危害：低，应注意避免吸入和与皮肤、眼睛接触。聚氨酯泡沫本身相当易燃，因此许多商用产品都预先添加了阻燃剂。

記錄者：

35.干冰和镁

原理：将镁棒点燃后，放入干冰中，反应式为：2Mg+CO2→2MgO+C，反应发出耀眼的光芒。

趣闻：最早的手电筒利用的是镁发出的强光，因此也被称为“镁灯”。

危险性：高。反应过程中可能会产生火花。需要清除附近所有易燃材料并使用防护隔板。

录制者：格兰特-“国王”

36.交通信号灯

原理：在瓶中的溶液中加入三种成分：氢氧化钠、D-葡萄糖和靛蓝胭脂红（或称酸性靛蓝）。靛蓝胭脂红是一种氧化还原指示剂，同时它还起着酸碱指示剂的作用，即在氧化还原反应和pH值的作用下，能变化成各种颜色。靛蓝胭脂红有三种不同的氧化还原状态。在这个反应体系中，当摇晃瓶子时，它会被空气中的氧气氧化，而静置时会被葡萄糖还原，从而引起颜色变化。如果反应在不同的pH环境中进行，颜色也会随之变化。具体的颜色变化状态总结在下图中：

转载自皇家化学学会。

有趣的事实：靛蓝胭脂红除了用作指示剂外，还有其他用途。它是一种食用色素（E132），也用于一些泌尿外科手术。

危险性：低。由于使用氢氧化钠来调节pH值，因此不会使用非常浓的溶液。葡萄糖和靛蓝胭脂红也相对安全。

記錄者：

37.分层颜色变化

原理：试管底部的橙色部分是加了少许硫酸的重铬酸钾溶液，顶部透明的部分是乙醚，在引发反应时，向其中加入适量过氧化氢。接下来，体系中会发生剧烈反应，顶部的有机层会变成蓝色，并产生气体。

当加入过氧化氢后，水相中发生如下反应：+H2SO4+H2O2→2CrO5+K2SO4+5H2O。这里生成的过氧化铬（CrO5，又称五氧化二铬）是一种不稳定的过氧化物，能溶于乙醚，并呈现深蓝色。不稳定的过氧化铬会继续反应生成三价铬盐：2CrO5+7H2O2+→Cr2(SO4)3+10H2O+7O2。试管中的气泡就是此步反应中产生的氧气[1]。

小贴士：过氧化铬在水溶液中也是蓝色的，但用乙醚萃取可以使蓝色保持更长时间，从而更容易观察。

危险：中到高，反应剧烈，需戴手套和护目镜，试管请勿装得太满。