[物理]【Simon】极限安全工厂——告别篇

      各位同学大家，好久不见，高三还有差不多两个星期高考，我离高三也差不了几天了，为了冲击高三，最近在题的海洋中遨游，也是越来越忙，到了高三我会刷更多的题，时间会更少，我还记得之前加入二次元战队还一个战报贴都没发过，这这里，也算是给大家道歉了，同时也是提前跟大家告别了，物化生板块的连载节目也是越来越精彩了，我也希望大家不要将自己的素材藏着掖着了，拿出来和大家分享吧，这可能是我的最后一期极限安全工厂，希望后面会有个"传承人"帮我下去，不过这期，绝对不会让大家失望了



手套难挡浓硝酸



原理：丁腈手套恐怕是实验室用得最多的手套了，它可以保护我们可爱的双手。但实际上，很多有害物质也是这种手套招架不住的——比如，发烟硝酸。
丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈聚合而成，高分子链中含有较多的碳碳双键结构，这种结构不耐强氧化剂。发烟硝酸作为一种强氧化剂可以剧烈地和丁腈手套反应，很可能源于对碳碳双键结构的迅速氧化。结果就是反应大量放热，直至燃烧。有文献报道过结构与丁腈橡胶相近的丁苯橡胶，在被硝酸氧化后，碳碳双键会断裂形成醛、酸等产物。
丁腈橡胶的化学结构。原图来自：wikipedia
花絮：丁腈手套对于二氯甲烷、三氯甲烷等有毒溶剂也是不耐受的，溶剂会轻而易举的透过手套，所以不能指望用这种手套防御它们。另外，带着丁腈手套操作发烟硝酸，如果不慎接触，反而可能因为丁腈手套的剧烈反应而受到更大的伤害。因此，如果只有丁腈手套，操作发烟硝酸时不如不戴。徒手不慎接触发烟硝酸的话，应该立即清洗，不会造成严重的灼伤。
危险：中高。发烟硝酸有很强的氧化性，必须在专业实验室中谨慎操作。
冷色暖色眨眼变

原理：黄色半圆部分浸有一种荧光物质（吡啶碘化亚铜），可以在紫外光下发出黄色荧光。而雾气氤氲的小碗里面装的是-195℃的液氮。将小圆片从液氮取出后，随着温度的上升，蓝色荧光又恢复黄色了。显然，荧光颜色的变化来自于温度的改变。

结合上面粗糙简化版的雅布伦斯基图，我们可以一探荧光变色的究竟。荧光分子在受到光（如紫外光）激发后，电子会从能量最低的状态S₀飞到能量较高的状态S_­1（图中紫色箭头过程）。S₁这个状态如果细分的话，还有很多能量逐级降低的状态。在温度较高时，电子可以通过一个不发光的过程从S₁的最高能级逐步损失能量，掉落至S₁的最低能级，这个过程叫分子热振动。最后，伴随着能量以发出荧光的方式放出，电子回到最低能级S₀。如果温度很低，那么分子热振动会被大幅度的抑制，因此电子在S₁的高能级态就不会因为热振动而损失太多能量。当电子回到最低能级S₀时，释放的能量会更多，对应的荧光波长也就更短。对比高温途径和低温途径，放出能量较少的高温途径就对应着黄光，而放出能量较多的低温途径就对应着蓝光了。
花絮：荧光是个很酷的东西。灵敏度高，又容易受到温度、pH的影响，甚至是荧光基团附近的化学环境都可以影响到荧光的变化以及有无。在科研和生活中，荧光的应用例子多到数不过来，研究者们甚至还能用荧光蛋白在大脑中编织出一道“彩虹”。

危险：较低。使用紫外灯要注意对眼睛的防护，液氮低温，小心别冻伤。

见风使舵千般色



原理：大塑料杯里的“蓝黑墨水”其实是百里酚蓝溶液，这里展示的是它在不同pH下的多变色彩。百里酚蓝可以称得上是酸碱指示剂里的多面手。它的两个变色点源于可以先后解离出两个质子。在pH很低的情况下（< 1.2），百里酚蓝显示红色；在pH适中时（2.8 ~ 8.0），显示黄色；在pH较高时（> 9.6），显示蓝色。而橙色和蓝黑色则是两种状态共存时显示的混合色。
百里酚蓝不同颜色对应的化学结构变化。图片来自：wikipedia
花絮：石蕊，酚酞，甲基橙，甲基红……你还能说出更多酸碱指示剂吗？

想要居家指示剂？你还可以来棵紫甘蓝~图片来自：The Science Kiddo
危险：低，别不小心喝掉就好。

苦读借光磷火前



原理：在巨大的圆底烧瓶中预先加入了液氧，并气化为氧气，底部还有一小块白磷。经过加热的金属棒引燃氧气中的白磷，反应发出强光。虽然燃烧时间有限，不过反应瓶的明亮程度甚至都可以用来照明了。
花絮：俗称“鬼火”的火光并不是来自白磷的燃烧，目前最有可能的解释是，鬼火源自尸体分解产生的磷化氢的自燃。另外，白磷还有着“很有味道”的发现史，它是炼金术士们炼尿时首次被观察到的……
危险：高。白磷本身就是种危险品，燃烧生成的五氧化二磷白烟如果误吸刺激性也很强。另外五氧化二磷是一种吸水性极强的固体，吸水后会生成偏磷酸，也有较强刺激性，还有剧毒。作为亲身体验过这股白烟的人，强烈建议大家不要模仿。

零食一口千焦热



原理：食物的热量是如何测得的？一种经典的方式就是把它烧掉——当然，并是不像上面这么壮烈的方式……
在大烧杯里装着液氧，而加进去的东西则是一块预先点燃的甜甜圈。甜甜圈富含淀粉、糖等有机物，它们在液氧中剧烈地燃烧起来。当我们吃下甜甜圈，身体也是利用氧化还原反应来获取能量，只不过细胞里的反应要缓和得多。
花絮：在液氧里面烧东西会使视觉效果提升若干数量级，当然，危险指数也是一样。在《火星救援》里面，液氧+糖就足以做成威力十足的炸弹了。
危险：高。液氧和可燃物在一起的效果十分炸裂，还是温柔对待你手中的甜甜圈吧。

自制食盐别样鲜



原理：金属钠被加热后，放入充有氯气的容器中，伴随着夕阳暮云遮一般的钠特征黄光，氯化钠便生成了。钠在氯气中燃烧，把电子转给了氯，于是钠变成了钠离子，氯变成了氯离子，通过静电力吸在一起。燃烧过后，容器中的浓烟就是氯化钠颗粒：

在原视频中，老爷爷甚至还现场掏出鸡蛋，蘸着事先纯化过的“自制食盐”吃了起来：

且慢，烟为啥是棕色？原视频中并没有给出解释，据我推测，这种颜色可能是来自杂质，或者晶格缺陷产生的色心，另外剧烈燃烧产生的氯化钠颗粒会比较细小，无色的晶体在粒径大幅度减小时，也可能产生不同于大块晶体的颜色。
花絮：在人们对原子结构还没有充分认识之前，有一个理论认为，钠原子是带有“小孔”的，氯原子是带有“小钩”的。所以钠原子和氯原子化合，就是氯原子用小钩钩住了钠原子的小孔。氯原子和氯原子因为可以通过小钩互相钩住，所以可以形成Cl₂；而小孔和小孔没法连在一起，所以没有Na₂。现在看来也是一个神奇的脑洞……
危险：高。钠很活泼，氯气很毒，弄个盐不用这么费事吧……

杯水防火谈笑间




原理：第一张动图显示的是纸巾在异丙醇中浸泡后点燃的效果。根据原视频的说法，这里使用的是一种特殊的“纸巾”，燃点在500℃以上，可是异丙醇的燃烧会大量放热，于是无辜的纸巾在温度急速上升的凶猛火势中很快就覆灭了。而第二张图中的纸巾是在水和异丙醇的1:1混合液中浸泡的。这一次，燃烧温度低了很多，直到燃烧结束纸也完好无损，甚至摸一摸也不会烫手。
为什么差异会这么大呢？原因就在于，在燃烧的过程中，水会气化。水的气化热大约是40 kJ/mol，也就是2260 kJ/kg。这是一个很大的数值，要知道通常情况下水的比热容才4.2 kJ/kg左右。也就是说，把5千克的水从0℃加热到100℃，消耗的热量将将够把1千克100℃的水蒸发成100℃的蒸气。在异丙醇燃烧的过程中，水被加热蒸发，带走了大量的热，所以温度并不会上升很多，纸巾也就安然无恙了。
花絮：虽然水的比热容比气化热小了很多，但是在常见物质中，这已经是一个很大的数值了。纸杯烧水的小实验也是利用了水较大的比热容来防止纸杯被蜡烛点燃。
危险：高。异丙醇的燃烧很剧烈，玩儿火是很危险的。


空手碎大瓶


原理：这张图中的现象在《What-if 第六期：半空的杯子》中提到过。找一个玻璃瓶，装上一些水，狠击瓶口，于是瓶体在短时间内获得向下运动的速度，但瓶中的液体由于惯性没有跟上瓶纸的步伐（水的黏度很小），就在瓶底形成大量接近真空的低压气泡，这一现象的术语叫做空化（cavitation）。然后瓶外的大气压就想把水往瓶底压，同时还受自身重力开始奋力往下追，由于液体不太容易被压缩，所以力最后都啪唧拍到了瓶底上。标准大气压约为 101 千帕，相当于 81 千克的重力砸在直径 1 分米的瓶底，妥妥地就可以把瓶底压破啦。
花絮：xkcd把这种现象叫做“水锤”，有时关上水龙头时听到 Duang的一声就是水锤的作用。
危险：某些虾蛄就是利用前肢高速出击产生的空化束流来攻击猎物的，愚蠢的人类，捅穿玻璃缸你怕不怕。空化作用还可以对螺旋桨造成损伤。

滴水成冰


原理：圆圆的水滴结冰时会发生什么？它们总是会形成一个尖顶，上图中显示的就是这一现象。研究者把水滴滴在两块平行的玻璃板之间，然后拍摄它结冰的截面图，从而避免了球形水滴会使画面扭曲的问题。他们的结论是最后形成的锥尖的顶角与液滴的大小无关，与底板的温度或浸润角（液体表面和容器壁接触时形成的角度）无关，与结冰的速度亦无关，因此这个现象是普遍的。论文随后定量地推导出锥顶角的大小为131°，多次实验验证显示，理论值与实际结果相符。
图片来自原论文
在这项研究以前，人们对小冰珠尖顶的定性解释就是水在结冰时体积会增大。这篇论文的主要贡献是得出了定量的解释：结冰面总是和液滴表面保持基本垂直的，因此它往上推进时就会由凸变凹，最终收出一个尖顶来。也就是说，尖顶现象主要是几何上的结果而非动力学效应。图片来自原论文
花絮：由于这个模型是普适的，作者在论文最后展望这项研究对飞机机翼的结冰过程，以及 3D 打印的凝固过程会有帮助。危险：非常低。研究者表示，这是一个“请务必在家尝试”的实验（'do try this at home' experiment）。有兴趣就来观察下吧~

原子动画


原理：《男孩和他的原子》是 IBM 在 2013 年发布的一部“世界上最小”的定格动画，影片长约 45 纳米，宽约25纳米，用一台两吨重的扫描隧道显微镜在5开氏度的低温下将一氧化碳分子排列在铜基板上，总共扫描了 242 张图片，构成了这段一分多钟的电影，花费4位研究员2周时间制作完成。
这种能看到原子的图片并不是用多么强大的光学手段拍摄，而是用一个极细的针尖在材料表面“摸”出来的。针尖也并非直接和材料表面接触，而是悬空了很小一段距离，此时在材料和针尖之间加上电压的话，就会有微弱的电流流过（在量子力学中叫作隧穿电流），并且这一电流的强度对针尖和材料表面的距离十分敏感。因此我们就可以慢慢地移动针尖，如果测到电流开始增强，说明我们在接近一个凸起的表面，于是我们就把针尖调高一些，让电流回到原来的大小。这样保持电流大小不变不断调整针尖的高度一路扫描下来，我们就能得到材料表面的“高度图”。
上面讲的是扫描隧道显微镜的恒电流工作模式，另外还有恒高度工作模式，即保持针尖高度不变，然后根据隧穿电流大小的变化得到材料表面的高度。这种模式的优点是扫描速度快，缺点是有可能碰坏针尖。针尖不仅能“摸”出原子，也能移动原子，移动的方法有横向操纵和纵向操纵两种。横向操纵是调高隧穿电流，然后针尖就会“吸”着原子在材料表面游走。纵向操纵则是把原子提起再放下，一般是通过加强电场然后改变电场的极性来实现。通过探针移动原子，就拼出了图中的小人。
花絮：除了这部电影外，团队还为《星际迷航》系列电影制作了三张图片，分别是《星际迷航》的标志、瓦肯手势、以及世界上最小的企业号手办：
图片来自：research.ibm.com危险：对一般人没有什么风险。但如果你是操作人员而一不小心搞糟了……

玩坏显像管


原理：老式电视机和电脑使用的都是显像管屏幕。高中时同学们大概没少算过电子在电磁场中偏转的题吧，这就是显像管（CRT）的原理：首先阴极发射出电子束，在阳极的吸引下加速，然后在电磁场中偏转指定角度，最后打在荧光屏上发光。不同能量的电子可激发出不同颜色的光，形成电视屏幕上的彩色图像。
大块钕磁铁能产生很强的静磁场，根据磁铁正面在电视机上制造的画面我判断这个磁铁是轴向磁化的，磁铁的两面分别把画面推到右上角和右下角，受力分析图如下：
花絮：强磁铁会让显像管屏幕出现故障，小时候拿磁铁在电视屏幕上玩结果把电视画面玩坏了的一定不止我一个 。有外国网友说他在一侧把电视玩坏后，把磁铁放另一侧玩试图把画面调回来…… 于是后来他成了电子及计算机工程师……
电视画面出现误差的原因是电视内部的一些金属器件被永久磁化了，正确的修复方法是消磁（degauss），有的电视机自带这个功能，即产生一个方向快速变化的磁化场，然后磁化场的强度慢慢减弱，最后任何方向的剩磁都被抹平了。危险：强磁铁是危险物品，这样大块的磁铁你要没点臂力根本把持不住。如果你手里拿着这货然后它把附近什么东西吸过来了（比如另一个磁铁），那效果就跟一锤砸在手上一样。另外，小磁珠吞下肚子或吸入也会带来危险，不要给太小的孩子玩。

土豪的游戏： 强磁铁夹坏Apple  Watch，你肯定不希望夹在中间的是自己的手吧。

半锅煎蛋


原理：电磁炉的工作原理并不是让自己升温，而且利用电磁感应加热。电磁炉首先将市电转化为高频交流电（20~40 kHz，对于交流电属于高频，但对于无线电波属于低频，所以电磁辐射少），然后交变电流通过线圈建立交变磁场，交变的磁场感应出涡旋的电场，此时将导体放在线圈上的话就会形成涡电流，涡电流流过导体时因电阻产生焦耳热。空气、蛋白质、陶瓷等非导体有很高的阻抗，因此电磁炉几乎不在它们上面输出功率。所以，直接把鸡蛋打在电磁炉上是熟不了的，陶瓷或玻璃锅也不能被加热。
花絮：原理上，电磁炉可以加热所有导体锅，但市面上的电磁炉仅适用于加热铁锅（以及不锈钢等具有铁磁性的锅）。 铁锅的特点是导磁性强，漏磁少，并且除了涡电流之外还有磁滞损耗效应（即上一张图中提到的转着方向磁化的过程，那个过程是会放热的）来产热，因此使用铁锅有更高的加热效率。而铜或铝不行的原因是电阻太小了（高中学理科的童鞋应该体会过阻抗匹配，即外电路电阻和电源内阻相等时输出功率才最大，太大或太小都不行）。铜铝的趋肤效应（交变电流喜欢贴在导体表面流动的现象）比铁弱，意味着涡电流在锅底流通的厚度更宽，所以阻抗更小，加热效率更低。市面上的电磁炉都是为铁锅设计的，如果要加热铜铝的话需要设计不同的工作频率。实验室中使用的感应电炉就有更多频率可供选择。
危险：低。与普通炉灶相比，电磁炉造成烫伤的风险更小。电磁炉的电磁辐射不会危害健康，不过它有可能干扰心脏起搏器。电磁炉应远离收音机、电视机、手表、磁带、铁质的餐具等，安全起见也不要放在任何金属平台上使用。

蛇摆


原理：图中现象叫作“蛇摆”（pendulum wave），在这一系列的单摆中，我们可以观察到小球从一字长蛇阵到逐渐趋于混乱、再形成整齐的分组的过程。我们知道单摆的周期的公式为，不过解释蛇摆现象并不需要这个公式（如果你要动手做一个蛇摆的话才需要），我们只要关注各个摆的周期即可。
蛇摆是这么设计的：首先设定一个蛇摆整体恢复的大周期T，然后假设让最长的摆在T时间内摆10次，那么次长摆就在同样时间内摆上11次，次次长的摆12次，以此类推，每个摆各自的周期是T/(10+n)。下面，我们先以三个摆为例画一张位移-时间图（横轴是时间，纵轴你说是位移或者摆角都行）：[img]http://1.im.guokr.com/tHiYZGRsq_qdmvsJNSA6qBRdeO-dHN4DpyBb3Gw5hmD6BAAA8gAAAEpQ.jpg?imageView2/1/w/640/h/121[/img]
只用三个摆就可以看出，在半个大周期的时刻出现了一个“分组现象”。这不难理解，在 t=T/2 时各小球摆过的路程是 (10+n)/2，因此n为偶数的球都整除，而n为奇数的球都正好余半个周期。而在上面的动图中，这样的单摆共有15个，那么我们就来画上15个cos函数：
[img]http://2.im.guokr.com/xvox7yUIeqhKZOAOaIEhiOJ_hfZt4gembbnKq9klevqNBQAA0wEAAEpQ.jpg?imageView2/1/w/640/h/210[/img]在这里，我选了因子多的整数 12 作周期，并按分数倍周期标注了横轴，这样你们就能看出分数恢复的现象了。分数恢复和半周期恢复的原理类似，用数论的语言来解释就是，在每个分数周期，属于相应同余类的号球会恰好摆完相同的进度。例如在 t=T/3 时，各小球摆过的路程是 (12+n)/3，因此按余数应分3组，只不过余 2/3 周期的组折返回来刚好和余 1/3 周期的组相遇，所以在该时刻会观察到小球整齐地排成了两排。
花絮：分数恢复是存在量子化的体系特有的现象（注：这里只是借用了量子力学的术语，并不是说这个体系真的要用量子力学处理），如果你用无限多个摆连贯地排成一排（数学语言叫连续），那么你只会看到一条长蛇越来越密地铺满整个扇形面，而看不到前面所讲的分组现象。
危险：非常低。不过在公交、地铁上凝视此图将有坐过站的风险……

完了以后在也看不到他发图了

加油。。。

我会想你的

一起加油!

加油努力。。

楼主大大，请问您的这些化学知识都是自学的吗？有听您说马上要高三了想问一下高中党是否有时间学习这些偏趣味性和实验性的化学知识呢？另外，这些化学器材的采购又如何解决呢？采购的资金呢？

厉害！估计你理化不错吧。

楼主高考加油↖(^ω^)↗（是不是有点早说的？！）