“汞心脏”实验反应条件的探索

“汞心脏”是一个魔术般的趣味实验，一颗汞珠在水溶液中自发地不断收缩、扩张，如心脏的跳动一般。“汞心脏”这个实验最早是由德国化学家李伯曼在1876年于实验室配制溶液时碰巧发现的，但是当时并没有提到有关该实验的任何数据以及现象说明。

笔者通过大量探索试验，认为进行如下操作能成功给出明显的实验现象，具体介绍如下：

1.在干净表面皿上加入直径不大于2 cm纯净的汞珠后，为防止汞珠滚动，可先将纯度较高的铁钉或针固定在适当位置。然后再加入少许蒸馏水至刚好盖住汞珠表面为止，取出针滴入1 mL 0.1 mol/L K₂Cr₂O₇溶液，用镊子将铁钉一端再次靠在汞珠旁（只是轻轻靠上，不要插在汞珠中），然后逐渐滴入0.1 mol/L H₂SO₄（进行此操作可使用酸碱滴定管）。

未滴入H₂SO₄前，汞珠表面有灰色不透明物质包裹在上面，轻轻晃动表面皿，汞珠的液态特性表现迟钝，汞珠平铺在表面皿底部，铁钉靠在上面，无任何反应。

在刚滴入H₂SO₄时，汞珠逐渐收缩成半球状，但不跳动。表面的灰色不溶物质开始出现皲裂，并慢慢消失。之后在操作中要注意慢慢滴加H₂SO₄  。滴加H₂SO₄过程中主要的实验现象为：

(1)当H₂SO₄溶液滴至1 mL 时，汞珠开始与铁钉有碰撞，汞珠也开始有节奏的收缩，收缩幅度很小，但振荡频率较高，看上去像是在颤抖。

(2)继续滴入，当滴至2 mL 时，碰撞变得明显，但收缩幅度小，振荡频率也没有明显变化。

(3)再继续滴至3 mL 时，收缩幅度明显增大，振荡频率也减慢。滴至4 mL 时，收缩幅度变得更大，振荡频率也变得平缓。

(4)继续滴，以后就无明显变化。

2. 另取一干净表面皿，在表面皿中加入适量的汞，在加了汞珠后先不放铁钉，改为先在汞珠上滴加水到刚好盖住汞珠表面，然后再改为滴加１体积0.1 mol/L K₂Cr₂O₇和４体积0.1 mol/L H₂SO₄的混合溶液。先滴入少许混合液（约10滴），静置片刻后观察；再逐一滴加混合液（约20滴），观察现象。然后再用镊子轻轻放入打亮的铁钉于汞珠旁，观察片刻后，再逐滴滴入一些混合液（总量可加至5 mL ）。待反应完全后（即汞不再跳动），在溶液中加入几滴KSCN指示剂。

上述实验的现象是：刚加入约10滴混合液时，汞珠表面有一层灰色不溶物。加大用量后，不溶物呈红色。放入铁钉后，灰色不溶物质向铁—汞接触面处靠拢，汞珠开始跳动，并且有灰色不溶物质从铁—汞接触面处飘溢出来，在接触面处有灰红色不溶物质生成，继续滴加后，飘溢出的物质变为红色，灰红色的不溶物质也变红。随着汞珠跳动，反应液由黄变浅黄，又由浅黄变为浅绿，最后变为绿色（略带有浅黄灰色）。经过约15分钟后，汞珠停止跳动。溶液中加入KSCN指示剂后，溶液变红。

实验现象的分析和化学反应机理：

根据上述实验现象判断，“汞心脏”实验中不溶物质应为HgO，在反应中加大反应液用量后，包括飘溢出的由灰变红的物质也应为HgO。在反应过程中，溶液由黄最后变为绿色，还略带有黄灰色，说明K₂Cr₂O₇参加了反应，并最终生成为Cr³⁺，在反应完成后，加入KSCN，溶液变红，说明溶液中已有Fe³⁺ 。

汞珠表面有大量负电荷，故易成球形。而Cr₂O₇^2-为氧化剂，能使电子离开汞珠表面，从而使汞珠摊平。当汞珠摊平时触到了铁针，这时会从铁针上接受到电子，使汞珠又收缩成球形，这样又与铁针分开了，而Cr₂O₇^2-又会开始对其产生作用^……，该过程周而复始地发生，从而使汞珠变为有节奏地跳动，好象一颗跳动的心脏。

上述“汞心脏”实验中的主要反应式有：

①2Fe + 7H₂SO₄ + K₂Cr₂O₇ = Fe₂(SO₄)₃ + Cr₂(SO₄)₃ + 7H₂O + K₂SO₄

2Fe + 14H⁺ + Cr₂O₇^2- = 2Fe³⁺ + 2Cr³⁺ + 7H₂O

②3Hg + 4H₂SO₄  + K₂Cr₂O₇ = 3HgO + K₂SO₄  + Cr₂(SO₄)₃ + 4H₂O

3Hg + 8H⁺ + Cr₂O₇^2- = 3HgO + 2Cr³⁺ + 4H₂O

③在铁钉上：2Fe → Fe³⁺ + 6e

在汞面上：14H⁺ + Cr₂O₇^2- + 6e → 2Cr³⁺ + 7H₂O

汞是有毒物质，上述实验做完后，应将汞珠转入一支试管，分批注入适量清水进行振荡洗涤，洗净后塞上橡皮塞保存。该汞珠可用于下一次的“汞心脏”实验。