安静的烟火，溶液中的爆炸，这种突然变色的化学反应是什么原理

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今天有一个化学实验在网上非常火，瞬间变色的杯子

化学反应在大家的印象中有两种，一种就是像爆炸一样疯狂的瞬间反应，另一种则是像冰融化在水中一样可见而缓慢的反应；通常来说这些迅速的反应往往总是伴随着夸张的效果，比如体积急剧地膨胀、火光、巨大的声音等。

而那些慢热型的反应虽然也可以直观地观察到，但是明显温和且平滑，没有明确地分界。比如初中化学实验之向石蕊溶液中吹气，二氧化碳将水变成弱酸性，于是石蕊溶液从紫色变成了红色。但是你无法分清到底是什么时候才算变色成功，紫与红之间并没有一个非常明确的分界线不是吗。

可是今天火的这个实验非常特别，它是溶液中的反应，但同时兼具安静、极速且引人注目三个特征，仿佛一场无声的爆炸，一枚静音的烟火。

那么它是如何做得到这种令人震慑的视觉效果的呢？就让我为你揭秘吧。

为此，我们要将这个实验拆成2个小部分来解说：

1.为什么会变色

杯中的液体一瞬间就变成了好像是黑色的东西，其实那并不是黑，而是深蓝色。这是化学中一个非常非常有名的反应，叫显色反应。碘在遇到淀粉时会形成蓝色的络合物，从接近无色一下子变成非常深的蓝色。自从1814年第一次被记录以来，这个经典的显色反应已经不知道在课堂和实验室里出现了多少次，在孩子们的化学兴趣课中这也是必备项目之一。

那为什么两个几乎没什么颜色的物质会变成一个有颜色的物质呢？这要分别从颜色和电子说起了。无色的物质之所以无色是因为其不会吸收任何颜色的光线。我们知道阳光可以认为是包含了所有颜色组合而成的白光，那么一种物质如果会定向地吸收掉阳光中的一部分颜色就会表现为其它不能吸收的颜色，比如植物中的叶绿素，它就会吸收蓝紫色和红色的光，因而表现为绿色，也就是说绿色其实是植物无法吸收利用的“废品光”

那么也就是说，两种无色物质组成的新结构如果可以吸收光，就会从无色变成有色。而碘和淀粉形成的络合物就是这样一种物质，所谓络合物就是并非真正意义上的化学反应产物，而是像拼图一样临时组合而成的结构，这些物质非常的不稳定，也无法长期保存。

但是它们确实组成了全新的结构，所以出现了全新的理化性质，比如说对所有颜色的光都有强烈的吸引，只有蓝色稍微弱一点，也就表现出了墨蓝色。

有机化合物的电子轨道

那么为什么新的结构可以吸收光呢？那是因为络合物分子的电子轨道发生了变化，光是否能被吸收取决于分子的电子轨道，如果光子的能量与电子上升若干个轨道所需要的刚好相当，则可以变成电子的能量，此分子就可以吸收这个颜色的光子。这个数值必须要匹配，多或少一点都不行，能量会被无法跳升轨道的电子直接吐出来，再次变成光子。

那么碘和淀粉形成了一个什么样的结构呢？可以看下面这张图。碘的原子会嵌入到淀粉的链条中，变成一种类似串串香的结构。

淀粉是一种类似链条的多糖大分子，是用单糖拼出来的。它以螺旋形不断蔓延，于是中间就出现了一些空间，而三碘离子（I3 - ）恰好可以卡在其中，它们就像孩子们玩的积木一样组合成了如图的样子，碘离子的外层电子与淀粉的外层电子相互作用，像胶水一样黏在一起，形成了非常多的复杂的电子轨道，这样就可以将光子吸收并拆解成热能了。

那么三碘离子又是从何而来呢，你需要碘分子（I2）和碘离子（I- ），这样2+1就会变成3，只要凑齐淀粉、碘分子和碘离子就可以变成蓝色

碘单质也是碘分子，是两个碘原子组成的

好的，现在我们解决了第一个问题，让我们来认识一下第二个问题：

2.为什么会突然变色？

变色的原因我们已经找到了，那么如果我把一滴淀粉溶液或是一滴含有三碘离子的溶液滴入彼此，会瞬间表现为蓝色吗？当然！

但是一定不会有如此震撼的视觉冲击力，你会看到的是非常合乎常理的、扩散的墨蓝色。与一滴墨水滴入清水中并没有什么区别。

那么，这个反应是如何做到呢？淀粉这个巨大的分子当然是不会突然出现的，所以重点就放在了碘三离子的生成中了，而碘离子是非常自由的，所以重点就放在了碘分子的生成上了，也就是说只要能生成碘分子的反应，理应都可以产生突然变色的效果。

奇妙的地方就在这里——让我们吃惊的不是快，其实是慢。如果我们把可以生成碘分子的化学反应原料直接兑在一起会发生什么？还是和之前一样，就像将墨汁与水混合一样，会出现非常明显的浓淡边界与扩散的过程。

所以我们需要的是将原料充分混合后，生成物却还没有就绪的反应，只有当某个条件满足后会在极短的时间，几乎同时地在溶液中生成碘分子，从而实现这样“宁静的爆炸”。

让我们来直接问问溶液吧，反应的方程是这样的

左边是反应物，右边是生成物，不用算太多其它的，我们只需要紧盯重点——碘分子（I2），可以很容易地发现，碘分子在第二个反应中生成，但是又在第三个反应中被消耗掉了。

那么要如何让这个循环停止，让碘分子得以保存下来呢？我们再仔细观察第一个和第三个反应式，依然很容易发现它们都需要消耗HSO3-，也就是亚硫酸氢根离子，而且这个离子只有消耗没有补充，也就是说耗完就没有了。

没有搅拌的高速摄像机拍摄

反过来我们也可以想到，只要亚硫酸氢根离子还有剩余，就不可能保留下碘分子。

现在答案已经非常明确了，在这个神奇化学反应前面的大部分时间里，溶液中的亚硫酸氢根离子一直都在不断地被消耗着。因为溶液是经过充分搅拌的，所以其中的离子浓度和消耗速度几乎相等。所以溶液中的所有区域都会几乎在同一时刻耗尽亚硫酸氢根离子，于是碘分子出现在溶液中，突然变色完成。

3.扩展

这种反应被称为碘钟反应，英语叫Iodine（碘分子） Clock（钟表），日语中叫ヨウ素時計反応，也就是说这个反应可以直观地反应化学反应的速度，具有类似钟表的特征。

不搅拌的正常速度

如果你用这个名字在网上搜索，一般会看到的是另一个版本，溶液中添加了锰离子，可以将生成的碘分子再次变成碘酸根离子，于是反应就会像钟摆一样反复循环，重复着由深浅的变化。

这就是本篇神奇化学之钟碘反应的全部内容啦，科学现象很有意思，如果可以意识到“这不仅仅是好玩，而是人类认识世界的过程之一”那将会变得更有意义，我是酋知鱼，有什么想知道的问题就向我提问吧！我们下一篇再见！

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suxiubin

实验说的很好。