今天有一個化學(xué)實驗在網(wǎng)上非常火，瞬間變色的杯子
化學(xué)反應(yīng)在大家的印象中有兩種，一種就是像爆炸一樣瘋狂的瞬間反應(yīng)，另一種則是像冰融化在水中一樣可見而緩慢的反應(yīng)；通常來說這些迅速的反應(yīng)往往總是伴隨著夸張的效果，比如體積急劇地膨脹、火光、巨大的聲音等。
而那些慢熱型的反應(yīng)雖然也可以直觀地觀察到，但是明顯溫和且平滑，沒有明確地分界。比如初中化學(xué)實驗之向石蕊溶液中吹氣，二氧化碳將水變成弱酸性，于是石蕊溶液從紫色變成了紅色。但是你無法分清到底是什么時候才算變色成功，紫與紅之間并沒有一個非常明確的分界線不是嗎。
可是今天火的這個實驗非常特別，它是溶液中的反應(yīng)，但同時兼具安靜、極速且引人注目三個特征，仿佛一場無聲的爆炸，一枚靜音的煙火。
那么它是如何做得到這種令人震懾的視覺效果的呢？就讓我為你揭秘吧。
為此，我們要將這個實驗拆成2個小部分來解說：
1.為什么會變色
杯中的液體一瞬間就變成了好像是黑色的東西，其實那并不是黑，而是深藍(lán)色。這是化學(xué)中一個非常非常有名的反應(yīng)，叫顯色反應(yīng)。碘在遇到淀粉時會形成藍(lán)色的絡(luò)合物，從接近無色一下子變成非常深的藍(lán)色。自從1814年第一次被記錄以來，這個經(jīng)典的顯色反應(yīng)已經(jīng)不知道在課堂和實驗室里出現(xiàn)了多少次，在孩子們的化學(xué)興趣課中這也是必備項目之一。
那為什么兩個幾乎沒什么顏色的物質(zhì)會變成一個有顏色的物質(zhì)呢？這要分別從顏色和電子說起了。無色的物質(zhì)之所以無色是因為其不會吸收任何顏色的光線。我們知道陽光可以認(rèn)為是包含了所有顏色組合而成的白光，那么一種物質(zhì)如果會定向地吸收掉陽光中的一部分顏色就會表現(xiàn)為其它不能吸收的顏色，比如植物中的葉綠素，它就會吸收藍(lán)紫色和紅色的光，因而表現(xiàn)為綠色，也就是說綠色其實是植物無法吸收利用的“廢品光”
那么也就是說，兩種無色物質(zhì)組成的新結(jié)構(gòu)如果可以吸收光，就會從無色變成有色。而碘和淀粉形成的絡(luò)合物就是這樣一種物質(zhì)，所謂絡(luò)合物就是并非真正意義上的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，而是像拼圖一樣臨時組合而成的結(jié)構(gòu)，這些物質(zhì)非常的不穩(wěn)定，也無法長期保存。
但是它們確實組成了全新的結(jié)構(gòu)，所以出現(xiàn)了全新的理化性質(zhì)，比如說對所有顏色的光都有強(qiáng)烈的吸引，只有藍(lán)色稍微弱一點，也就表現(xiàn)出了墨藍(lán)色。
有機(jī)化合物的電子軌道
那么為什么新的結(jié)構(gòu)可以吸收光呢？那是因為絡(luò)合物分子的電子軌道發(fā)生了變化，光是否能被吸收取決于分子的電子軌道，如果光子的能量與電子上升若干個軌道所需要的剛好相當(dāng)，則可以變成電子的能量，此分子就可以吸收這個顏色的光子。這個數(shù)值必須要匹配，多或少一點都不行，能量會被無法跳升軌道的電子直接吐出來，再次變成光子。
那么碘和淀粉形成了一個什么樣的結(jié)構(gòu)呢？可以看下面這張圖。碘的原子會嵌入到淀粉的鏈條中，變成一種類似串串香的結(jié)構(gòu)。
淀粉是一種類似鏈條的多糖大分子，是用單糖拼出來的。它以螺旋形不斷蔓延，于是中間就出現(xiàn)了一些空間，而三碘離子（I3 - ）恰好可以卡在其中，它們就像孩子們玩的積木一樣組合成了如圖的樣子，碘離子的外層電子與淀粉的外層電子相互作用，像膠水一樣黏在一起，形成了非常多的復(fù)雜的電子軌道，這樣就可以將光子吸收并拆解成熱能了。
那么三碘離子又是從何而來呢，你需要碘分子（I2）和碘離子（I- ），這樣2+1就會變成3，只要湊齊淀粉、碘分子和碘離子就可以變成藍(lán)色
碘單質(zhì)也是碘分子，是兩個碘原子組成的
好的，現(xiàn)在我們解決了第一個問題，讓我們來認(rèn)識一下第二個問題：
2.為什么會突然變色？
變色的原因我們已經(jīng)找到了，那么如果我把一滴淀粉溶液或是一滴含有三碘離子的溶液滴入彼此，會瞬間表現(xiàn)為藍(lán)色嗎？當(dāng)然！
但是一定不會有如此震撼的視覺沖擊力，你會看到的是非常合乎常理的、擴(kuò)散的墨藍(lán)色。與一滴墨水滴入清水中并沒有什么區(qū)別。
那么，這個反應(yīng)是如何做到呢？淀粉這個巨大的分子當(dāng)然是不會突然出現(xiàn)的，所以重點就放在了碘三離子的生成中了，而碘離子是非常自由的，所以重點就放在了碘分子的生成上了，也就是說只要能生成碘分子的反應(yīng)，理應(yīng)都可以產(chǎn)生突然變色的效果。
奇妙的地方就在這里——讓我們吃驚的不是快，其實是慢。如果我們把可以生成碘分子的化學(xué)反應(yīng)原料直接兌在一起會發(fā)生什么？還是和之前一樣，就像將墨汁與水混合一樣，會出現(xiàn)非常明顯的濃淡邊界與擴(kuò)散的過程。
所以我們需要的是將原料充分混合后，生成物卻還沒有就緒的反應(yīng)，只有當(dāng)某個條件滿足后會在極短的時間，幾乎同時地在溶液中生成碘分子，從而實現(xiàn)這樣“寧靜的爆炸”。
讓我們來直接問問溶液吧，反應(yīng)的方程是這樣的
左邊是反應(yīng)物，右邊是生成物，不用算太多其它的，我們只需要緊盯重點——碘分子（I2），可以很容易地發(fā)現(xiàn)，碘分子在第二個反應(yīng)中生成，但是又在第三個反應(yīng)中被消耗掉了。
那么要如何讓這個循環(huán)停止，讓碘分子得以保存下來呢？我們再仔細(xì)觀察第一個和第三個反應(yīng)式，依然很容易發(fā)現(xiàn)它們都需要消耗HSO3-，也就是亞硫酸氫根離子，而且這個離子只有消耗沒有補(bǔ)充，也就是說耗完就沒有了。
沒有攪拌的高速攝像機(jī)拍攝
反過來我們也可以想到，只要亞硫酸氫根離子還有剩余，就不可能保留下碘分子。
現(xiàn)在答案已經(jīng)非常明確了，在這個神奇化學(xué)反應(yīng)前面的大部分時間里，溶液中的亞硫酸氫根離子一直都在不斷地被消耗著。因為溶液是經(jīng)過充分?jǐn)嚢璧模云渲械碾x子濃度和消耗速度幾乎相等。所以溶液中的所有區(qū)域都會幾乎在同一時刻耗盡亞硫酸氫根離子，于是碘分子出現(xiàn)在溶液中，突然變色完成。
3.擴(kuò)展
這種反應(yīng)被稱為碘鐘反應(yīng)，英語叫Iodine（碘分子） Clock（鐘表），日語中叫ヨウ素時計反応，也就是說這個反應(yīng)可以直觀地反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的速度，具有類似鐘表的特征。
不攪拌的正常速度
如果你用這個名字在網(wǎng)上搜索，一般會看到的是另一個版本，溶液中添加了錳離子，可以將生成的碘分子再次變成碘酸根離子，于是反應(yīng)就會像鐘擺一樣反復(fù)循環(huán)，重復(fù)著由深淺的變化。
這就是本篇神奇化學(xué)之鐘碘反應(yīng)的全部內(nèi)容啦，科學(xué)現(xiàn)象很有意思，如果可以意識到“這不僅僅是好玩，而是人類認(rèn)識世界的過程之一”那將會變得更有意義，我是酋知魚，有什么想知道的問題就向我提問吧！我們下一篇再見！
