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酷炫动图(三十一):化学篇

美好、实用、魔性&丧病的化学动图们又回来啦~

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燃烧钻石

原理:作为一坨碳,只要给予足够的热和氧气,钻石就可以燃烧。不过,它们燃烧的条件还是比较高。钻石在纯氧中的燃点约为720~800℃,而在空气中则为850~1000℃[3]。上图中的钻石燃烧在石英管中进行 ,其中通入了氧气,蓝色的火焰据说来自中间生成的一氧化碳(燃烧比较和缓,仔细看,它真的在动……)。另外,这里用的是人造钻石,不用太心疼。

花絮:当然,如果想看剧烈的燃烧现象,还有比纯氧更厉害的一招——液氧。下面是一个液氧燃烧钻石的反应,事先对钻石进行加热,然后放进了液氧。

原视频来自:Douglas Macdonald

危险:高。高温火焰和液氧都相当危险,不过相信你们不会去烧钻石的。

录制者wwwperiodictableru

人造丝

原理:这里演示的是一种“人造丝”(Rayon)的制备方式。与尼龙之类纯粹的合成品不同,人造丝是一类由天然纤维素加工而成的“再生纤维”。这里所用的是铜氨法,首先用碱式碳酸铜和氨水得到了深蓝色的铜氨络合物溶液,反应式:

CuCO3.Cu(OH)2.H2O(s) + 4NH3(aq) → CuCO3(s) + [Cu(NH3)4]2+(aq) + 2OH(aq) + H2O(l)

铜氨溶液可以溶解棉絮之类的纤维素成分,形成可溶性的复合物,而当它遇到酸性环境时,又会再次形成固化的纤维。上图中显示的,就是通过注射器将溶解了纤维素的铜氨溶液注入硫酸溶液中,形成“人造丝”纤维的过程。只不过,比起实际生产所用的喷丝头,这个注射器针头还是太粗了一些。此后,溶液还会溶解洗脱掉纤维中的铜盐,最终得到无色的制品。

花絮:铜氨法是一种经典的人造丝生产方法,在19世纪,瑞士化学家马蒂亚斯·爱德华·施韦策(Matthias Eduard Schweizer)就发现了铜氨溶液溶解纤维素的性质,这种溶液因此被称为Schweizer试剂。现在,生产再生纤维素纤维已经有了更多方法。“粘胶纤维”也是一种再生纤维素纤维,翻翻衣服的标签,有时候就会看到它。

危险:较低,注意避免接触酸碱溶液,避免吸入氨气。

录制者Thoisoi2 - Chemical Experiments!

沉浮舞蹈

原理:这其实还是金属钠与水的反应,只不过稍微加上了一点花样。液体分成了上下两层,上层是煤油,下层是水。金属钠与煤油不反应,并在其中下沉,接触到水层之后引发反应。反应生成的气泡推动小钠块上浮,接下来,继续下沉-反应-上浮-再下沉的循环。

水溶液的颜色来自酸碱指示剂与反应生成的碱,粉红色的一边加入了酚酞,蓝色的一边加入了百里酚酞(Thymolphthalein)。

危险:中。煤油控制了反应节奏,因此该反应看起来更加柔和,但使用金属钠仍需要控制用量、小心操作。另外请注意,用量筒进行反应不是规范操作,请不要模仿……

录制者Thoisoi2 - Chemical Experiments!

谁喝咖啡了?

原理:这个转圈圈的3D模型,显示的是一间办公室,和其中的四个人。在蓝色底的模型上,我们可以看到一些黄色、橙色、红色的痕迹。其实,这是房间中咖啡因残留分布情况的一个可视化的再现。

为了做出这幅图,研究者首先把小房间里的表面一块块地进行擦拭取样(连其中的人也没放过),然后将这些取得的样品利用液相色谱-质谱联用进行检测。在这里,检测的目标是各种表面上残余的少量咖啡因。液相色谱可以将各种性质不同的化学物质分开,而质谱结果可以提示每一种成分的化学结构特征,把它们联合起来,这种检测方法的灵敏度相当高。而在得到了数据之后,研究者们就重建出了这个三维分布图。可以看到,人们的手上、口唇周围沾着咖啡因的痕迹,而地上也有一块咖啡泼洒留下的斑痕。

花絮:研究团队还制作了下面这张色彩斑驳的彩点图。它体现的是人体皮肤表面的细菌和化学物质多样性。两位甘愿为科学献身的健康志愿者3天没有洗澡,随后由研究人员用棉签在他们身体半边的400个位点分别拭取了样品进行分析。

图片来自:Bouslimani et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, E2120–E2129 (2015)

危险:对普通人没什么风险,反正也没有设备……

录制者Data: A. Bouslimani/C. Kapono/T. Alexadrov; Video Framegrab: P. Dorrestein/UCSD/Collaborative Mass Spectrometry Innovation Center

指纹现形

原理:在培养皿里按下一个指纹,然后滴上两滴液体,盖上盖子等待,指纹就会慢慢显现出来。这两滴液体分别是水和强力胶,这是显示潜在指纹的一种方法,关键在于强力胶中挥发的氰基丙烯酸酯成分在潮湿环境中发生聚合反应。实际使用该方法时,还会加热强力胶促进蒸汽形成。

为什么反应会选择性地在指纹的位置发生?确切的机制其实还不是很清楚,可能是指纹中残存的氨基酸、水、乳酸钠等物质引发了反应[1]

花絮:除了纹路之外,通过化学分析,其实还能在一枚指纹中发现更多信息。例如有研究认为,指纹中残留的化学成分可以提供判断指纹主人性别的线索。

危险:较低。应注意避免吸入强力胶形成的蒸汽。

录制者MEL Science

迷你反应

原理:这是一套超迷你的反应设备,“反应器”内有一个小小的搅拌子,下方可以加热,上方蓝色的螺旋管道里还通上了冷凝水。这套迷你设备是这样制作的:首先设计好内部需要的管路形状,用3D打印把它们打印出来(搅拌子埋在了3D打印结构当中),接下来把这些结构放进聚二甲基硅氧烷中“浇筑”。等整体固化之后,再用适当的溶剂(丙酮)洗掉3D打印的部分,留下各种管道[2]。这种方法可以比较方便地制造出各种复杂的微管道结构,方便对少量流体进行处理和反应。

图片来自:参考文献2

花絮:聚二甲基硅氧烷(PDMS)是最常见的一种有机硅聚合物,固态和液态的PDMS材料用途都很广泛,甚至还有研究者用PDMS制成的模型模拟了大脑形成褶皱的过程

危险:较低。

录制者Vittorio Saggiomo, Aldrik H. Velders

水晶球

原理:其实,这依然是钠与水的反应。换种方法控制反应节奏,能让我们看到更多不同的景象。在这里,实验者在水面上漂浮了一张咖啡滤纸,并把小钠块放在滤纸上进行反应。滤纸限制了钠与水的接触,反应看起来相对柔和,没有在反应早期出现“爆炸”。随着反应进行,小钠块逐渐变得红热,接下来又变成了一个晶莹剔透的小球。

这个“水晶球”的成分应该是反应生成的氢氧化钠,反应放热使它处于熔融状态。它能暂时在水面上安静地存在,这可以用莱顿弗罗斯特效应来解释,因为局部温度远高于水的沸点,所以形成了一层蒸汽,减少了水和它的接触。而蒸汽层也总有撑不住的时候,动图最后的“爆炸”就是熔融氢氧化钠接触到了水。

花絮:上图中的现象录制于2014年,而2016年一篇研究论文也报告了类似的反应现象,并通过红外光谱证实,反应中出现的透明小球确实符合氢氧化物的特征。这一次,研究者们还用高速摄影拍下了反应的更多细节。

危险:中。涉及金属钠的实验,依然需要小心操作,少放点钠……

录制者Thoisoi2

(编辑:Ent)

参考资料:

  1. http://www.chm.bris.ac.uk/motm/superglue/supergluec.htm
  2. onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201500125/abstract
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Diamond
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