33種化學原理動圖, 讓你秒懂化學反應原理!

化學的神奇魅力可是不是隨便說說的,神奇起來讓人嘆為觀止。下面37張動圖,在帶領你領略化學之美的同時,也希望能幫助你理解這些化學現象。

1 . 硫氰酸汞分解(“法老之蛇”)

原理:硫氰酸汞受熱分解,部分產物燃燒。2Hg(SCN)2→2HgS+CS2+C3N4

CS2+3O2→CO2+2SO2

2C3N4→3(CN)2+N2花絮:硫氰酸汞於1821年由德國人合成,之後不久它燃燒的特殊現象就被發現。很長一段時間裡作為一種焰火在德國出售,但是最終因為多例小孩誤食而中毒的事故被禁止。

錄制者:ChemToddler危險:高。汞化合物有毒,反應產生的硫化汞、二氧化硫和氰氣也有毒。沒有通風櫥和專業人士指導,切勿自行嘗試!

2.火柴燃燒

原理:火柴頭包含紅磷、硫和氯酸鉀。擦火柴時產生的熱量使紅磷和硫燃燒、氯酸鉀分解出氧氣輔助燃燒。花絮:最早的摩擦式火柴頭上隻有硫,1826年英國化學傢約翰·沃克首先使用瞭氯酸鉀,但他的火柴非常危險,經常有火球掉下去把衣服和地毯點著。錄制者:UltraSlo危險:很低,但請勿給小孩火柴玩,可能造成火災。3.氫氣遇到火

原理:氫氣易燃易擴散,在空氣中可以爆炸式燃燒。花絮:興登堡號飛艇的下場就是這一幕的放大版。錄制者:PrfSlo&DrMo危險:中。由於爆炸可能傷人,請像圖中那樣遙控點燃。4.汞和鋁銹

原理:鋁是高度活潑的金屬,但是表面的氧化鋁層阻止瞭它和空氣中氧氣完全反應。而汞會破壞這一保護層,使得鋁迅速“生銹”。這是一段延時攝影。該過程真實長度約半小時。如果畫面下移,你會看到底下有一大堆鋁銹粉末。花絮:這是飛機上嚴禁攜帶水銀的原因之一。有傳說稱二戰時一些美軍突擊隊員會攜帶汞用來破壞德國飛機。錄制者:TheodoreGray危險:中低。汞單質有毒,不可食用,請在空氣流動通暢的地方實驗以免汞蒸汽中毒。

5.鐵棒與硫酸銅

原理:將除銹處理後的鐵棒放入硫酸銅溶液中,鐵單質比銅更加活潑,置換出來的銅形成漂亮的松散沉淀。溶液原本是藍色的(水合銅離子顏色),隨著反應進行,藍色逐漸變淡。花絮:銅離子本身並沒有藍色,無水硫酸銅是白色粉末。水溶液中藍色的是六水合銅離子。錄制者:DizzyCtube危險:低。銅溶液有毒,不可食用。

6.氣體點燃

原理:燃燒需要可燃物和氧氣接觸,狹窄的瓶口使得氧氣隻能逐漸進入,燃燒面逐漸下移。錄制者:FabianOefner危險:中高。可燃氣體處理不當極易導致爆炸。

7.燃燒的鎂投入水中

原理:常溫下鎂與水其實就可以反應,但除非是鎂粉,否則速度很慢。高溫時二者會劇烈反應生成氧化鎂和氫氣。氫氣繼續燃燒,和燃燒的鎂一起產生炫目的光影效果。花絮:這個反應是日本設計的一種試驗性發動機的基本原理。鎂和水反應生成的氧化鎂在激光的作用下重新分解成鎂單質和氧氣,整個反應隻消耗水,而激光則由太陽光提供動力。不過這一發動機投入使用似乎還很遙遠。錄制者:PeriodicVideos危險:中。鎂燃燒時高溫,遇水劇烈反應可能濺出紅熱液態鎂導致燙傷。

8.丙酮“溶解”泡沫塑料

原理:淺淺一層丙酮並不能真的把整塊泡沫塑料“溶解”,實際上它隻是溶解瞭聚苯乙烯的長鏈,讓泡沫塑料裡的大量空氣逃逸出去。但是,長鏈交聯的地方丙酮無能為力,所以碗底部還會剩下殘存的聚苯乙烯。花絮:502膠滴到泡沫塑料上發生的事情與此類似。錄制者:Barrett危險:低。丙酮有一定毒性和揮發性,應在通風處實驗,勿飲用。

9.血液和過氧化氫

原理:血液中有高效的過氧化氫酶,能夠催化過氧化氫分解為水和氧氣,大量氧氣形成泡沫效果。花絮:過氧化氫酶是一種非常常見的酶,幾乎所有好氧生物體內都有發現。在細胞內它的主要作用是催化活性氧成為氧氣,阻止它破壞細胞。過氧化氫酶也是所有酶中效率最高的酶之一,每個酶分子每秒鐘可以催化數百萬個過氧化氫分子。錄制者:Igor30危險:低至中。高濃度過氧化氫腐蝕性很強,但低濃度比較安全。沒有其他威脅,除非你的血液來源有問題……

10.大象牙膏

原理:這個反應的核心和上期裡的血液反應一樣,是過氧化氫分解。30%過氧化氫和液體肥皂混合,加入一些食用色素,再加入碘化鉀作為催化劑。少量的過氧化氫就可產生大量氧氣,在肥皂作用下形成泡沫湧出。一種更加安全的版本是用低濃度(3%-6%)過氧化氫,用幹酵母作為催化劑,原料更易得,但反應也沒有那麼劇烈。花絮:反應後會有大量氧氣聚集在瓶內,可以試著關燈然後往裡丟一根火柴觀察燃燒。小心火災。錄制者:chemtoddler危險:低至中。濃過氧化氫腐蝕性強,處理時請戴手套。P.S.這個實驗還有一種做法(出處未找到):

11.燈泡中的的宇宙

原理:這是一個閃光燈泡,內裝鋅絲和氧氣,通電即點燃,隻能使用一次。外面包有一層塑料膜以防萬一燈泡破碎。在現代電子閃光燈出現之前它是主要的閃光道具,抵達滿亮度所花時間更長,但燃燒時間也更長。此圖在網上傳播時很多人說它是燈泡燒斷的瞬間,可惜普通鎢絲燈泡到壽命時隻會慢慢黯淡下去。花絮:早期的閃光燈泡使用鎂絲,亮度不如鋅。更早的則是敞開環境下鎂粉和氯酸鉀混合點燃。這就是“鎂光燈”一詞的來歷。此外,許多網友表示,“這就是我們的宇宙啊”。錄制者:2FCfilmpruduction危險:低。使用後燈泡會非常燙,不可立即用手碰。

12.五光十“銫”

原理:銫是活潑的堿金屬,和水爆炸式反應生成氫氣。高速攝影需要極強的光,光照產生的高溫使得銫無法保持固態,因此實驗采用安瓿來裝液態銫。小錘擊碎安瓿瞬間,銫液滴傾瀉而出,在空中就和水蒸氣、氧氣反應留下尾跡,大塊入水後產生爆炸式反應。花絮:在互聯網上有這樣一個釣魚貼,“……愛迪生等得不耐煩瞭,拿過銫塊,浸在水中,將溢出的水倒在瞭量杯裡量出體積,就知道瞭銫塊的體積。”也許這才是愛迪生耳聾的真正原因?錄制者:PeriodicVideos危險:高。銫與水反應非常劇烈,註意防護。

13.鋅火

原理:這種液體是二乙基鋅。它是一種極易燃燒的有機鋅化合物,接觸氧氣便自燃。真正的二乙基鋅如此圖所示是藍色火焰,但是網上流傳最廣的視頻/動圖來自2008年諾丁漢大學,他們拍到瞭黃色的火焰——照他們自己的說法,這是鈉污染所致。

花絮:二乙基鋅於1848年發現,是第一個有機鋅化合物。它在有機合成中的應用極其廣泛,也曾被早期火箭研究者用作液體燃料。錄制者:PeriodicVideos危險:高。能自燃的沒幾個好東西,何況是液態。

14.火山炎魔

原理:外層紅色粉末是重鉻酸銨,它不穩定,受熱分解可以產生大量暗綠色灰燼(三氧化二鉻)和明亮的紅色火焰。(NH4)2Cr2O7(s)→Cr2O3(s)+N2(g)+4H2O(g)這一效果很像火山爆發。而藏在裡面的就是上期介紹過的硫氰酸汞“法老之蛇”瞭。花絮:重鉻酸銨有個外號叫“維蘇威之火”,就是因為它的這個效果。它在焰火和早期攝影術裡都有應用。搭配硫氰酸汞感覺像是召喚瞭克蘇魯……錄制者:Trollator危險:高。重鉻酸銨和所有六價鉻一樣有毒、有刺激性。密閉容器中受熱可能導致爆炸。至於硫氰酸汞請參見上期。

15.鋁遭遇溴

原理:鋁是極活潑的金屬,因為表面致密氧化層而在空氣中穩定,但會和很多其它氧化劑劇烈反應。溴就是其中之一。生成的三溴化鋁溶於水的反應也會放熱,可能導致爆炸。實驗完的試管必須先冷卻然後用輕柔的水流慢慢溶解,清洗後還要加入硫代硫酸鈉溶液以還原任何殘留的溴。花絮:“三溴化鋁”真正的存在形態其實是Al2Br6,它十分穩定,哪怕氣化之後也隻有一部分會分解成AlBr3。錄制者:ChemToddler危險:高。溴有揮發性和腐蝕性,吸入有毒,需防護措施。反應劇烈且有噴濺,請務必從少量開始!16.暗之柱

原理:黑咖啡可不會變成這東西。杯中是對硝基苯胺和濃硫酸的混合物,加熱後發生非常復雜的反應——事實上,我們還不完全清楚反應的詳細過程。最後得到的黑色泡沫物原子比例為C6H3N1.5S0.15O1.3,幾乎肯定是對硝基苯胺交聯後的多聚物,整個反應有時被稱為“爆炸式聚合”。膨脹成這麼大這麼長是反應生成二氧化碳等氣體的功勞。花絮:這個反應是70年代NASA研究者發現的,他們當時考慮過把它用作滅火劑——因為生成的黑色泡沫狀物非常穩定,隔熱性能也極好。錄制者:plasticraincoat1危險:中高。對硝基苯胺有毒,濃硫酸也有危險,反應還生成氮氧化物和硫氧化物氣體。P.S.最後一個實驗請勿聯想。

17.紅與黑

原理:這是“碘鐘反應”的一個變種。實驗中所用到的三種無色透明溶液(從前到後)分別加入瞭:1、可溶性淀粉和焦亞硫酸鈉2、氯化汞3、碘酸鉀其中發生的反應包括:1、焦亞硫酸鈉與水反應生成亞硫酸氫鈉Na2S2O5+H2O→2NaHSO32、亞硫酸氫鈉將碘酸根還原為碘離子IO3-+3HSO3-→I-+3SO42-+3H+3、隨著碘離子濃度的升高,可溶性的汞鹽開始與碘離子形成碘化汞沉淀(橙紅色)Hg2++2I-→HgI24、剩餘的碘離子與碘酸根離子生成碘單質IO3-+5I-+6H+→3I2+3H2O

5、碘單質與可溶性淀粉結合形成藍黑色的包合物花絮:這個改良版的反應由兩名普林斯頓大學的學生發明,他們在其中加入瞭汞鹽,使這個反應可以先後形成橙紅色和黑色,而橙黑配正是普林斯頓大學的代表色。這個反應通常被稱為“OldNassauReaction”,其中“OldNassau”指的就是普林斯頓大學[1]。因為顏色的緣故,它也被叫做“萬聖節反應”。錄制者:ChemToddler'schannel危險:高。氯化汞毒性很強,吸入、皮膚接觸或誤食時均有較高風險,請勿在傢嘗試。18.銅和硝酸

原理:銅與濃硝酸反應,生成硝酸銅、二氧化氮和水,生成的氣體通入水中,隨著氣體生成停止並逐漸溶解,水倒吸進入反應瓶,最終形成淡藍色的硝酸銅溶液。

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

一開始出現的綠色與濃酸條件下銅離子與硝酸根的結合有關[2],而在引入更多水之後,溶液就顯示為水合銅離子的藍色瞭。花絮:銅和濃硝酸大概是最難背的高中化學反反應瞭……等等,還有稀硝酸。你還記得怎麼配平嗎?錄制者:RoyalSocietyofChemistry危險:中,濃硝酸具有較強腐蝕性,推薦使用手套和護目鏡。二氧化氮氣體有毒,不過在該實驗中大部分生成氣體都會被水吸收。後半部分倒吸造成的“噴泉”現象有較小的造成燒瓶損壞的風險,如果在開放實驗室中進行,應使用安全屏保護觀眾。

19.鋰樹銀花

原理:這是金屬鋰燃燒的景象,燃燒過程中固態的金屬鋰不斷熔化,並生成氧化鋰。鋰的焰色反應為紅色,但當劇烈燃燒時火焰呈現一種“亮銀色”的狀態。花絮:和其他堿金屬一樣,鋰火不能用水來撲滅,需要專門的幹粉滅火劑。錄制者:NickMoore危險:中。任何時候都不能對火掉以輕心。

20.小熊糖火山

原理:試管中是加熱到熔融狀態的氯酸鉀,氯酸鉀發生熱分解產生氧氣,試管中的氧氣和熱足以點燃小熊軟糖中的糖類等有機物。氧氣促進燃燒,而燃燒產生的熱量又進一步促進氯酸鉀分解產生更多氧氣,因此就產生瞭劇烈的燃燒反應。花絮:這個實驗還有一個更加喪心病狂的超大號版本(原視頻錄制者:Vat19):

錄制者:wallsacc危險:高。反應非常劇烈,尤其是超大號版本絕對不建議在傢嘗試(浪費食物不是好孩子!)。

21.金雨

原理:這是硝酸鉛與碘化鉀發生的復分解反應,其中析出的金黃色結晶為碘化鉛。反應式:Pb(NO3)2+2KI→2KNO3+PbI2↓花絮:碘化鉛晶體是一種可以用於X射線和γ射線探測的材料。

危險:高,處理鉛鹽時必須謹慎防護以防中毒。錄制者:Thoisoi2-ChemicalExperiments!

22.魔性之環

原理:這是一個發生在平皿薄層上的B-Z反應(Belousov-Zhabotinsky反應)的例子。B-Z反應是一種化學震蕩反應,它最早在20世紀50年代被發現。反應體系會在兩種狀態之間不斷進行周期性變化,平皿上的“波紋”也會不斷變換。B-Z反應有多種版本,上圖中是它的一個常見版本,溴酸鹽與丙二酸發生氧化還原反應,以鈰鹽及鄰二氮菲亞鐵離子(ferroin,在還原態為紅色,氧化態為藍色)作為催化劑和反應指示劑。花絮:目前,對B-Z反應的動力學研究依然在進行中,研究者們也對反應過程進行瞭很多數學計算。下面就是一個計算機模擬出的平皿B-Z反應的圖像,是不是感覺更加魔性瞭呢……

(圖片來自:wikipedia)

危險:中低。反應本身並不劇烈,不過溴酸鹽對人具有刺激性,配制反應溶液時依然要註意防護。錄制者:TimKench

23.水下花園

原理:在矽酸鈉的水溶液中加入一些金屬鹽類的結晶顆粒(例如銅鹽、鈷鹽等),就可以觀察到溶液中樹枝狀的結構逐漸“生長”的過程。投入的結晶顆粒逐漸溶解,釋放出金屬離子,而這些金屬離子又會與矽酸鈉形成難以溶解的矽酸鹽結晶,沉積在最初的結晶顆粒之上。而且,各種過渡金屬離子的矽酸鹽還可以呈現不同的顏色,使花園更加美麗。以下是“花園”中常用的一些反應物和對應的矽酸鹽顏色:明礬(硫酸鋁鉀)——白色硫酸銅——藍色三氯化鉻——綠色硫酸鎳——綠色硫酸亞鐵——綠色三氯化鐵——橙色氯化鈷——紫色花絮:如果把化學花園搬到太空中會是什麼樣?NASA曾在國際空間站上進行過實驗[1,2]:

危險:較低。錄制者:XTrBass

24.氫化鈉

原理:這是氫化鈉與水發生的反應,生成氫氧化鈉和氫氣,溶液中加入瞭酚酞作為指示劑,因此呈現紫紅色。花絮:氫化鈉是一種堿性非常強的物質,它可以奪取很多化合物中的質子形成相應的鈉化合物,這在有機合成中非常實用。危險:高。氫化鈉的性質非常活潑,反應劇烈。錄制者:PeriodicVideos

25.碘鋁反應

原理:碘單質與金屬鋁的粉末混合,並加入少量水即可引發劇烈反應。主要反應式:2Al(s)+3I2(s)→Al2I6(s),水在其中起到催化劑的作用。隨著反應進行,碘單質也會升華形成紫色的碘蒸氣。花絮:說到鋁粉,最讓人印象深刻的大概就是鋁熱反應瞭,下面就讓我們來重溫一下:

危險:中高。反應劇烈,碘蒸氣具有刺激性,應註意保護眼部,並在通風櫥中進行。加水後反應可能需要稍等片刻才會開始,此時不要著急湊近查看。錄制者:ScottMilam

26.金色氧化鋅

原理:在加熱至高溫時,白色的氧化鋅粉末會逐漸變成金黃色,在空氣中冷卻時顏色又會褪去。產生顏色的原因是高溫下氧化鋅晶體失去部分氧原子,從而形成晶格缺陷。花絮:很多寶石的色彩也與晶格缺陷有關,例如彩色的鉆石。危險:中高。觀察氧化鋅變色需要將其加熱到800℃左右[3],使用高溫火焰需要格外當心。錄制者:AppliedScience

27.魯米諾發光

原理:魯米諾(3-氨基鄰苯二甲酰肼)是一種常用的發光化學試劑。在演示實驗中,一般用雙氧水和一種氫氧化物堿(例如氫氧化鈉)的溶液作為激發劑,並用含鐵化合物催化過氧化氫分解。魯米諾與氫氧化物反應生成瞭一個雙負離子,這個離子又可以與過氧化氫分解產生的氧氣反應,生成激發態的3-氨基鄰苯二甲酸,當它回到基態時,就會發出藍色的光。

(圖片來自:wikipedia)花絮:估計不少人都是從刑偵劇或者推理小說中聽說魯米諾試劑的,如果將上述反應中的催化劑換成血液中的鐵,這也就成瞭一個檢測痕量血跡的反應。危險:較低,需要留意氫氧化物和雙氧水的腐蝕性。錄制者:bkrieg56428.人造煙霧

原理:在紙片的不同位置上事先分別滴上瞭濃鹽酸和濃氨水,這兩種東西都有極強的揮發性,而它們在空氣中相遇也會形成氯化銨,營造出煙霧效果。花絮:另外一個常見的演示實驗“氨氣噴泉”展示瞭這種氣體在水中極強的溶解性。當瓶中的氨氣接觸含有酚酞的水時,它們迅速溶解造成瓶內壓強減小,形成粉色的倒吸噴泉:

危險:較低,不過濃鹽酸和濃氨水具有刺激性,需要註意通風,避免吸入。錄制者:NightHawkInLight29.火球

原理:右邊兩個表面皿中的固體和液體分別是高錳酸鉀與濃硫酸。在這裡,濃硫酸表現出瞭它的“脫水性”,它與高錳酸鉀固體反應,生成瞭七氧化二錳(高錳酐)。七氧化二錳是一種不穩定的強氧化物,當它接觸到棉花時,可以與之反應並造成燃燒。花絮:在歷史上,硫酸也曾經被用於引燃火柴。第一個現代意義上的火柴是1805年時讓·斯爾(JeanChancel)發明的,火柴頭上加入瞭氯酸鉀、硫磺、糖等物質,使用時需要在裝硫酸的小瓶中浸一下引發反應。危險:中高,濃硫酸需要格外小心操作,註意防護並遠離易燃物,需要在通風良好處進行。高錳酐具有腐蝕性、強氧化性和爆炸性,實驗時應佩戴護目鏡或面罩,並保證隻進行少量混合。不要擅自增加反應物量或用其他有機物反應,因為反應可能會過於劇烈。錄制者:royalchemistrysociety

30.聚合泡沫

原理:這是生成聚氨酯泡沫材料的反應,原料包括異氰酸酯、多元醇以及發泡劑等助劑。聚氨酯(PU)是指主鏈中含有氨基甲酸酯特征單元的一類高分子,它們化學性質穩定,而且力學性能也有很大的可調性,因此在工業和生活中都有廣泛的應用。聚氨酯泡沫可以作為保溫材料使用。花絮:舉個例子,就能讓你體會到聚氨酯的“戲路”有多廣:市面上的人造皮革制品大多是聚氨酯材質的,而最常見的非乳膠型避孕套所用的也是聚氨酯,它還可以做成沙發軟墊和鞋底。危險:較低,應註意避免吸入,避免接觸皮膚和眼睛。聚氨酯泡沫本身是相當易燃的,因此很多商業產品都會預先加入阻燃劑。錄制者:MaciejMiksztowicz31.幹冰與鎂

原理:鎂條點燃後放在幹冰當中,反應式:2Mg+CO2→2MgO+C,反應發出耀眼的強光。

花絮:最早的閃光燈就利用瞭鎂發出的強光,因此它也被稱為“鎂光燈”。危險:高。反應過程中,有火花濺出的可能,需要移除附近所有的可燃物,並使用防護隔板。錄制者:GrantThompson-"TheKingofRandom"

32.紅綠燈

原理:瓶中的溶液加入瞭3種成分:氫氧化鈉、D-葡萄糖和靛藍胭脂紅(indigocarmine,或稱酸性靛藍)。靛藍胭脂紅是一種氧化還原指示劑,而同時它又有酸堿指示劑的作用,也就是說,在氧化還原反應和pH值的作用下,它可以變幻出多種顏色。靛藍胭脂紅有三種顏色不同的氧化還原狀態,在這個反應體系中,當振搖瓶子時,它會被空氣中的氧氣氧化,而在靜置時又被葡萄糖還原,由此就造成瞭變色。如果在不同的pH環境中進行反應,顏色也會隨之改變。下圖中總結瞭具體的變色狀態:

根據皇傢化學學會提供的內容重新制圖。花絮:除瞭指示劑,靛藍胭脂紅還有別的用途。它是一種食品色素(E132),在一些泌尿系統手術中也會用到它。危險:低。在這裡氫氧化鈉起到調節pH的作用,不會用到很濃的溶液,葡萄糖和靛藍胭脂紅也比較安全。錄制者:royalchemistrysociety

33.分層變色

原理:試管下面橙色的部分是加入瞭一些硫酸的重鉻酸鉀溶液,上面透明的部分是乙醚,引發反應時在其中加入瞭一些雙氧水。接下來,體系內會發生劇烈的反應,上面的有機層變成藍色,並產生氣體。當加入過氧化氫時,水相中會發生如下反應:K2Cr2O7+H2SO4+H2O2→2CrO5+K2SO4+5H2O。這裡生成的過氧化鉻(CrO5,又叫五氧化鉻)是一種不穩定的過氧化物,它可以溶於乙醚,並帶來深藍色。而不穩定的過氧化鉻還會繼續發生反應,生成三價鉻鹽:2CrO5+7H2O2+3H2SO4→Cr2(SO4)3+10H2O+7O2,試管中冒出的氣泡就是這步反應中產生的氧氣[1]。花絮:過氧化鉻在水溶液中也是藍色的,隻不過通過乙醚萃取,可以讓藍色保持較長的時間,以方便觀察。危險:中高,反應劇烈,需要戴好手套和護目鏡,不要把試管裝得太滿。錄制者:Thoisoi2-ChemicalExperiments!

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