实验室的魔法手册
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序章

最有“化学感”的东西莫过于这些实验中所用到的瓶瓶罐罐了,这便是本章章首页图片的主题。如果这本书讲述的是一个长长的、名为“化学”的故事,那么这里无疑就是这个故事的开始。

你需要知道的基础知识

嗨,大家好!欢迎来到这个充满趣味化学实验的世界。因为本书主打的是实验,所以这本书的受众定位略高于初学者,也就是说在尝试这本书的实验之前,你应该已经具备了一定的化学知识。如果你对化学还没有一个初步的了解,则可以看一看我为初学者所写的《疯狂化学》(已由人民邮电出版社出版),它将为你开启化学世界的第一道大门。

当然话说回来,知识还是可以补充的嘛,所以我打算在这本书最开始的序章里,给大家介绍一些最基本的化学知识。需要强调一点,一般学校开了化学课之后会用整整一本书讲述这些内容,而我把它们放在了几段之内进行简单说明。这毕竟不是教材,但这样的压缩也导致本章成了本书中知识密度最高的一章。所以,这里所提到的知识会以我的方式,最快、最适合初学者的方式去讲。如果你对化学已经有了一定的了解,大可扫一眼或干脆跳过本章;而对于初学者,请准备好经历一次化学知识的洗礼吧!

本书主要介绍的是趣味化学实验,首先我们自然要知道“化学”是什么。化学是一门研究物质的组成、性质、结构与变化的学科,它与我们的生活息息相关。化学是我们用以了解这个世界如何运转的途径之一,它的发展可以直接为我们的生活提供便利。具体一点,化学研究是如何进行的呢?我们来明确一下化学的研究范畴,区别一下纯净物和混合物。从初学者的角度来说,一般都听说过一个词一一纯度。从这个角度来讲,如果一种物质的纯度达到100%,我们就说它是纯净物;而达不到且同时含有好多杂质的物质就是混合物。当然,有些物质本身就是混合物,这些我们先不考虑。我们在进行化学研究的时候所考虑的都是纯净物之间的反应,要是将一大堆乱七八糟的东西混在一起,怎么可能好好研究呢?

接着,我们来说说化学研究的主要对象。木炭能点燃,水可以喝,盐是咸的,药可以治病,这都是物质固有的性质。以木炭来说,大块的木炭可燃,小块的依旧可燃,那么如果我们将木炭越分越小,直到它能够保持可燃性的最小状态呢?这便是保持物质化学性质的最小粒子,我们称之为分子。将木炭点燃,会生成二氧化碳气体。二氧化碳分子是一种新的分子,它的性质和构成木炭的分子截然不同。这种变化就是化学变化,而在这个过程中,分子很明显地出现了解体和重排。我们假定分子还有更小的组成结构:原子。正是构成原来分子的原子经过重新组合,产生了新的分子。这个过程就是化学反应。而参与这个过程的分子与原子就是化学的主要研究对象

在现代化学中,原子是由原子核和围绕原子核高速运动的电子构成的。在初学阶段,你可以先把它们想象成太阳系中太阳和行星的关系。继续细分的话,原子核又可以被分为质子和中子。不管中子和电子的数量如何,由于质子数相同的原子的性质是相同的,我们把质子数相同的粒子称为同种元素。

最后,我们来区分一下单质和化合物。如果一种纯净物的分子只由一种原子构成,它就是单质;如果一种纯净物的分子由两种或两种以上的原子构成,它就是化合物

以上便是你要读懂这本书所需的最基础的化学知识:知道化学是什么,了解纯净物与混合物,原子、分子、元素以及单质与化合物的概念。如果你能轻松地掌握这些内容,那么欢迎你进入下面的环节。如果这些内容对你来说比较吃力的话,那么没关系,接受正规教材的完整启蒙教育之后,下面的内容也会给你带来意想不到的惊喜。

实验之前

既然这本书最主要的内容是各种趣味化学实验,那么接下来我们就来说说实验。这里提到的一些概念在后面大家尝试做实验的时候都会遇到,所以仔细阅读下面的内容吧。

首先,来区别一下定性实验与定量实验。我们进行实验是有目的的,定性实验的目的是确定物质的性质。比如石蕊遇到碱就会变蓝,这个过程没有确定的量,只要将二者放在一起就会发生变色,因为二者的性质如此。而定量实验的目的则是确定相关的数值,比如用已知浓度的溶液与未知浓度的另一种溶液反应,通过消耗的已知浓度的溶液的量来确定另一种溶液的浓度。本书中的实验大多数都为定性实验,因此很多实验并没有严格的浓度要求。既然几种反应物相遇就有效果,那么只要危险系数较小,同时几种反应物的量相差得不是特别大,实验用量这个问题也就没必要弄得那么精确了。

顺便一提,如无特殊要求,本书中所用到的水都必须是蒸馏水,自来水是不行的哦。举几个例子,你用自来水配置硝酸银溶液时会出现白色浑浊,配置硫酸亚铁溶液时会出现黄色浑浊,这种事情足以导致你的实验失败。做实验时用自来水的人通常是为了省事或者省钱,但是蒸馏水和化学试剂哪个贵,你自己的心里还没点数吗?

接下来说一说进行实验的场所……

警告

严禁在家中做化学实验

化学充满了魅力,正如这本书书名中的“魔法”二字一样,每一个实验都会像魔法一样给人带来惊喜。但事物具有两面性,在没有专业人员指导和专业设备防护时,如果出现事故的话,将可能是致命的。所以,就算我鼓励大家自己尝试去做化学实验,也绝对不能在家中进行。此外,你可以说对于要做的实验你已经查过相应资料,完全了解实验的细节。但是别忘了,事故之所以是事故,是因为它完全是意外发生的,你能确保事故发生时你依然具备相应的知识吗?所以,到你学校的实验室中做这些实验吧。有的学校的实验室不对学生开放,这可能是由一些特殊的事情导致的,我已经在本书所附的《致家长的一封信》中请你的家长去进行协商了。如果协商未果,那么希望你更加努力地进行相关的学习,考到一所有条件的学校后再来尝试做这些实验。总之,千万别在家中尝试,毕竟这种情况导致的事故案例已经够多了……

同样要在这里提到的是,做实验时请端正态度,不要抱着玩与炫耀的心态去做化学实验!你的异性朋友不一定喜欢化学实验,与其做实验还不如共进一顿浪漫的晚餐。同样,很多人喜欢想办法买一些剧毒品来收藏,或者查一些刑法所禁止的东西的制备方法去获得同学或者网络上的关注度,但这样除了让你早早地上当地警方的监控名单之外还有什么好处吗?然后更为常见一些的就是胡乱混合试剂,比如把实验做完之后的所有溶液倒在一起观察现象,等等。这么干的请回到本文一开始,看看化学研究的主要对象是混合物还是纯净物。抛开这点不谈,你不知道里面会发生什么反应,会不会有毒,会不会发生爆炸,以及之后该怎么处理。所以,这是一件非常危险的事。某知名院校的一位博士就曾经因为类似的情况失去了生命,只不过不同于单纯地混合试剂,他的悲剧源于正常操作下的一个小失误。

接下来,我们来说一说化学方程式。化学方程式是我们用于记录化学反应、描述反应过程的手段。通常来说,对于每个实验都能写出至少一个描述反应过程的化学方程式,比如:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

这个方程式描述了氢氧化钠与盐酸反应的过程,读作“氢氧化钠和氯化氢反应生成氯化钠和水”。等号左边的二者被称为反应物,等号右边的二者被称为生成物,这便是方程式最基本的写法。有的反应需要在一定的条件下才能发生,比如:

这时,我们会把条件写在等号的上面或下面。此外,在化学方程式中除了等号之外,有些反应在相同条件下是可逆的,被称为可逆反应。这个时候用可逆号,比如:

而如果在一个实验中,同样的反应物会有不同的反应方式,那么我们在写其中的一个方程式的时候会使用箭头,比如:

在研究过程中,化学方程式不仅能够记录反应本身,也会标明一定的数量关系,所有化学实验的相关数值都可以通过与实验相关的化学方程式进行计算。因此,这里我们来说一下实验中的一些相关计算。在部分实验中,我们会涉及对于中学阶段的很多学生来说一个非常难的部分一一物质的量。让我来解读一下,帮你摆脱这个像噩梦一般的存在。深呼吸,我们开始。

分子非常非常小,仅一滴水中就有多达约1.67×1021个水分子,但其总质量只有约0.05g。显然,这非常不方便计算。对此我们采用的方式是用一个比值把它成倍放大。我们把一个碳-12原子质量的1/12定义为标准值,然后将其他的原子的质量和这个数值进行比较,得出一个相对于这一数值的量,而这个数值就被称为原子的相对原子质量。同理,将组成分子的原子所对应的相对原子质量按照实际个数加起来,就是分子的相对分子质量。这两者分别简称“原子量”和“分子量”,而这就是我们通过方程式进行计算时所需的重要手段。

然而在真正进行计算的时候,我们会发现,这种通过原子量或分子量进行的计算还是有些麻烦,因此“物质的量”应运而生。正如我们把两个(同种物体)叫作“一双”、12个(同种物体)叫作“一打”一样,有专门一个用来计量微粒数量的单位,称为摩尔,简称摩。6.02×1023个同种微粒便是“一摩尔(1mol)”。摩尔仅可用于计量微粒数量,同时基于摩尔的单位定义,当使用g/mol为单位时,1mol任何物质所含的微粒质量总和在数值上等同于该物质的原子量或分子量,称之为对应物质的摩尔质量。举个例子,配制0.1mol/L的盐酸溶液,就说明每升这种溶液中要含有3.65g氯化氢,因为氯化氢的摩尔质量是36.5g/mol,那么0.1mol/L就相当于(0.1×36.5)g/L;同理,如果配制1mol/L的氢氧化钠溶液的话,就说明每升这种溶液要溶解40g氢氧化钠,因为氢氧化钠的摩尔质量为40g/mol,所以1mol/L就相当于(1×40)g/L。

对于各物质的摩尔质量的数值等同于其原子量或分子量的详细证明过程,在此不再赘述,有兴趣的读者可以自行学习,毕竟一般中学生把这个概念当作噩梦就是从这里开始的啊……

本书是一座迷宫,这座迷宫在建设之初就被设计成可以让任何水平的人通关的模样。随着你在不同阶段学习到不同的知识,获得不同的“能力”,你将会在这座迷宫中找到更多的“宝藏”。所以,在你学习化学的过程中,不断地翻开这本书吧,它将会一直是你学习化学的最好搭档。

常见实验器材

一般在正规的实验报告及文献中,每个实验所用到的器材都是规定好的。但在本书中,考虑到所有实验都是建立在兴趣的基础上的,一些实验室也可能会遇到器材不全的情况,因此正文部分的大多数实验均没有规定固定的器材,仅部分实验提到了特殊用品。在此,我们介绍部分定性实验的常规实验器材,供大家在后面的实验中根据具体情况自行进行选择。

实验所用的器材会根据不同的用途进行分类,首先介绍的是反应容器。

烧杯

烧杯是最为常见的反应容器之一,规格繁多,适合要用大量物质进行反应的情况。

试管

试管是常见的反应容器之一,适合少量物质进行反应的情况。最常见的规格为18×200和20×200(单位:mm),也有直径为30mm与32mm的较大的试管,这种试管又被称为硝化管。

锥形瓶

锥形瓶适合大量物质进行反应的情况,相对于烧杯,它具有较小的开口及收缩的瓶身,这种形状更加便于我们摇晃里面的物质。

三角烧杯

三角烧杯又叫收口烧杯或三角烧瓶,是一种非常规容器。这种容器介于烧杯与锥形瓶之间,同时具有大开口及便于摇晃的特点。

培养皿

培养皿分为盖和底两部分,在生物学相关实验中用于培养微生物和组织。严格来说,它不算反应容器,但是由于这种形状便于观察现象,它在本书的一些实验中也充当了反应容器。

烧瓶

烧瓶分为右侧的圆底烧瓶和左侧的平底烧瓶两种,区别就在于其名称字面意思上的圆底和平底。圆形容器都具有有效分散压力或热量的特性,相对来说,圆底烧瓶较适合通过石棉网或电热套加热、煮沸液体,因此多用于有机合成实验,而平底烧瓶更容易放置在桌面上,通常不用于加热液体。

点滴板

瓷质或玻璃质,有黑白两色,用于反应物的量极少的实验,便于我们较为清晰地观察到反应中的变色现象与沉淀的生成。

蒸发皿

蒸发皿为瓷质容器,用于蒸发液体,可以直接用火加热,但火焰温度不能太高,因为巨大的温差可能造成容器炸裂。

坩埚

坩埚用于灼烧物质,带盖,有多种材质可供选择,常见的有瓷质和铁质的,根据不同用途还有镍质、石英质和铂质的。

燃烧匙

燃烧匙多为铜质的,用于可燃性固体的燃烧实验。

化学实验都比较精确,因此一些用于称量试剂的器材也是必不可少的。

量筒

量筒是最常用的液体体积测量用具,有不同规格可供选择,对应的误差范围也会有所变化。

量杯

量杯是一种液体体积测量用具,其下小上大的形状特征导致刻度不均匀,因此较量筒而言,量杯的准确度很低,现在已经用得不多了。

砝码

砝码是称量时所使用的标准质量量具,使用耐腐蚀金属制成。砝码在使用的时候需要使用专用的镊子夹取,不能用手直接接触,因为手上的油脂与汗液会对砝码造成腐蚀,从而导致其质量产生差异。

托盘天平

托盘天平又称架盘天平,是最常见的称量用具之一,一般用于固体试剂的称量。右图所示的托盘天平的精度为0.1g。使用时,将被称量物质放于左盘,砝码放于右盘,通过调节游码使两边平衡,从而获得测量结果。

电子秤

电子秤具有较快的速度和较高的精度,因此在很多实验室中,这些电子秤正在逐步取代传统称量器具。左图中的小型电子秤俗称“珠宝秤”,它携带方便,并且具有0~200g的量程和0.01g的精度,足够满足众多简单化学实验的要求。

最后来说一说辅助工具。这一系列工具都是帮助实验完成的器具,在特定的情况下发挥其必要的作用。它们可以在实验过程中用于支撑、加热、搅拌、研磨等,可以辅助操作,也可以提供一些必要的反应条件。

酒精灯

酒精灯是一种以无水乙醇为燃料的加热装置,是一般实验室中最常见的加热工具,其火焰温度可达到400~600℃,足以满足一般实验中的加热需求。

滴管(胶头滴管)

滴管用于少量液体的滴加操作,分为长、短两种规格。

玻璃棒

玻璃棒用于液体的搅拌、引流以及固体的混合等操作。

漏斗

同日常生活中的漏斗一样,可以用于液体的倾倒,常见的过滤操作也会用到漏斗。另外,考虑到其开口较大,因此在一些实验中也会用于有害尾气的吸收。

表面皿

表面皿是具有弧形底部的圆形玻璃器具,一般用于盛放固体试剂,以及作为临时烧杯盖防止灰尘进入。

研钵

研钵用于将块状固体研碎。

药匙

药匙用于固体试剂的取用,常见的有塑料和不锈钢材质的,分为大、中、小3个型号。

镊子

镊子可以用于取用块状固体试剂,其细长的形状也可以用于进行一些实验中的特殊操作。

温度计

温度计用于测量温度,常见的有红水(即煤油)和水银的两种,二者具有不同的量程。

坩埚钳

坩埚钳有不同大小,主要用来夹持坩埚,在处理一些灼热物品时也非常有用。

止沸珠

这是一种特制的小玻璃球,可以有效防止加热时液体沸腾冒出试管的情况。

铁架台

铁架台是实验中的常用支撑物之一,由很重的铁质基座和一根竖直的铁杆组成,根据特定情况与右侧所示的几种零件组合使用。

十字夹

十字架用于在铁架台上以垂直于铁杆的角度固定其他物件。

铁夹

铁夹固定在铁架台上,用于夹持其他器具,如试管、烧瓶等。

铁圈

铁圈固定在铁架台上,用于承载其他器具(如烧杯、烧瓶、锥形瓶等),也可以垫上石棉网进行加热。

三脚架

三脚架是实验中的常用支撑物之一,可以看作仅有一个铁圈的小型铁架台。在一些简单的实验中,这个小家伙可是相当有用的哦!

试管夹

试管夹通常为木质,用于夹持试管。在加热试管或试管内进行的反应放热时,直接手持试管可能造成危险,这时就要用到试管夹了。

石棉网

石棉可以分散热量,因此在加热烧杯等较大容器的时候,石棉网可以有效防止受热不均导致的炸裂。

泥三角

小坩埚的直径远远小于铁圈或三脚架,因此我们用泥三角进行辅助以确保用到小坩埚的实验能够顺利进行。

广口瓶、细口瓶与滴瓶

这3类玻璃容器用于盛放不同的试剂,有无色与棕色(俗称白色与茶色)两种颜色和多种规格。其中,广口瓶的开口较大,易于取用,通常用于盛放粉末或块状固体试剂;细口瓶的瓶口较小,可延缓物质挥发,通常用于盛放液体。滴瓶相当于一个带滴管的细口瓶,因此多用于盛放经常用到滴管的液体,比如指示剂。此外,相对于无色瓶,棕色玻璃瓶可以起到避光的作用,可用于盛放易挥发试剂及其相关溶液。

比色管

顾名思义,比色管是用来比较溶液颜色的特殊器皿。使用时,通过肉眼对溶液与标准颜色卡进行对比,判断差异。比色管有着特定的规格,因此在相同规格的比色管中相同浓度的有色溶液会具有相同的颜色。

塑料洗瓶

塑料洗瓶中通常装有蒸馏水,可通过挤压瓶身让蒸馏水从顶部的尖嘴喷出。塑料洗瓶一般用于实验前洗濯器皿,也可作为蒸馏水的储存容器。

分液漏斗

分液漏斗是具有盖子和控制阀门(活塞)的特殊漏斗,有球形(见右图)、梨形和筒形等常见规格,用于萃取后的分液操作。此外,根据其构造,该装置也可以用于在反应中操纵液体的滴落量,从而起到控制反应速率的作用。

胶塞

胶塞的规格众多,用于密封各种容器,需要时可用专用工具打孔。

容量瓶

容量瓶用于精确配置特定浓度的溶液,有着非常严格的使用规范,是定量分析过程中必备的重要器皿。

冷凝管

冷凝管分为直形、球形和蛇形3种,分内外两层,外层循环冷凝水,内层可将蒸气迅速冷凝成液体。

索氏提取器

索氏提取器又称脂肪提取器,简称索提,是有机化学实验中的重要装置之一,常与电热套搭配使用。右图所示为整个索氏提取器的3个部分,左起依次为提取瓶、提取管和冷凝管,而左图为索氏提取器3个部分组合好的样子。索氏提取器一般用于有机实验中的回流提取,将滤纸与待提取样品装入提取管,将目标提取物所对应的溶剂装入提取瓶,确保气密性良好之后为冷凝管接通冷凝水,并对提取瓶进行持续加热,这时的溶剂就会经过蒸发—冷凝—浸出—虹吸回流的过程,对样品中的目标提取物进行反复提取。