郑博澜，姚平平*
华东理工大学化学与分子工程学院，上海 200237
摘要：化学离我们并不遥远，它就在我们身边的点点滴滴之中。这篇科普作品介绍了如何使用日常生活中常用的高锰酸钾、葡萄糖和苏打粉创造出一道“化学彩虹”。文章细致描述了实验步骤，并展现了高锰酸钾溶液在不同试剂的作用下，逐步展现紫红、墨绿、黄色、橙红等色彩，最终变为无色。作者借助锰元素的化合价变化，深入浅出地解释了色彩变化背后的氧化还原反应原理，并通过生动的比喻，让读者理解化学反应的奇妙。最后，作者强调，化学不仅是基础科学，还充满艺术性，通过实验让人们感受到化学在生活中的丰富多彩。
关键词：科普；高锰酸钾；变色；化合价；氧化还原反应
The Chemical Rainbow Created by Disinfectants — A Color-Changing Experiment with Potassium Permanganate
Bolan Zheng, Pingping Yao*
School of Chemistry and Molecular Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China
Abstract: Chemistry is not something distant—it is woven into the fabric of our daily lives. This popular science article presents a hands-on experiment that creates a “chemical rainbow” using common household materials: potassium permanganate, glucose, and baking soda. The article details the procedure and illustrates how the permanganate solution transforms step by step from purple-red to deep green, then to yellow, orange-red, and finally becomes colorless. By highlighting the changes in manganese’s oxidation states, the article introduces the underlying redox principles in an accessible way. With vivid metaphors and engaging explanations, it reveals the beauty and wonder of chemical reactions. The author emphasizes that chemistry is not only a fundamental science but also an art—one that adds color and depth to everyday life through experiments like this.
Keywords:Popular science; Potassium permanganate; Color change; Oxidation state; Redox reaction
你知道吗？运用我们触手可及的材料，竟然可以在小小的烧杯或试管中，形成一道艳丽的彩虹！
你可能会问我，那自由游荡在天际的彩虹，怎会屈居在这小小烧杯或试管中呢？别着急，听我跟你慢慢道来。
杯中的彩虹从哪来
要想在烧瓶中看到这一抹彩虹，其实一点都不麻烦。在我们的社区中，你总能找到药店和超市——这就够了。来到药店，你只需要找到一种叫做高锰酸钾的消毒剂。它具有很好的消毒功能，可以杀灭多种真菌，细菌和病毒，从日常器具消毒，到皮肤消毒，再到炎症消除，它都是一个得力干将[1]——药店的工作人员会这么介绍它。它是紫黑色的小圆片，你只需要取出一片，用一根棍子或勺子轻轻碾碎，然后取上肉眼刚刚可见的那么一点——大约是家里用于舀食盐的小勺子的匙尖那么大一点（约0.1g），然后将它溶解在半瓶矿泉水那么多的水里（250 mL，A溶液），高锰酸钾便会向你展现它的第一种颜色——紫红色（如图1a所示）。
但仅仅是这一种颜色，还配不上彩虹之称。想让高锰酸钾向你展示彩虹的颜色，你还需要两种物质与它作用：一种是葡萄糖，如果你在跑完步，健完身，或是在没吃饭的情况下做了大量的体力活之后感觉头晕眼花，医生准会向你推荐它！没错，葡萄糖是人体的主要供能物质，你能自由的运动和思考，全是它的功劳。它的水溶液可以直接口服，用于改善低血糖。
另一种便是苏打粉（或称纯碱）——你可以在超市的货架上很容易地看到它。它的主要成分是碳酸钠，它是发酵面食的救星，面食发酵产生的各种酸味全靠它来中和。虽说纯碱其实不是碱，但它确实是有碱性的，还蛮强的哩！所以你的衣服上，毛巾上要是沾上了一些油污，蘸上一点苏打粉，也能轻松洗掉。
图1 杯中的彩虹实验示意图
你只需要用电子秤先称出1.5g葡萄糖（C6H12O6，大约家里的汤匙舀上这么一勺就够了），和2.7g碳酸钠（Na2CO3，所需粉末的体积刚好和葡萄糖一样，真巧），你不用称的非常准——大概是这个重量就行。然后将它们溶于半个鸡蛋壳能装下的那么多的水里（约20mL），便可以得到另一种无色溶液B。接下来精彩的时刻来了，轻轻晃动刚刚配制的高锰酸钾A溶液(图1a)，让它在杯中转起圈来，然后快速加入第二种B溶液，神奇的事情发生了——刚刚的紫红色迅速消失，取而代之的是深邃的墨绿色(图1b)，这墨绿停留的稍久一些，然后转换成黄色(图1c)，并在接下来的半分钟内，缓慢加深，变成橙红色(图1d)。宛如一道彩虹划破天际，一道道穿过这小小的烧杯，向你展示它艳丽的色彩。不过它也不会在这里停留太久，只需大概一刻钟，烧杯里的橙红色便会褪去，留下一杯无色透明的水(图1e)，仿佛刚才的一切都没有发生过一样。
这究竟是怎么回事呢？我们加入的物质种类绝对不算多，其中两种（苏打粉和葡萄糖）还根本没有颜色，仅凭高锰酸钾一种物质，是怎么产生这么多颜色的呢？我们的烧杯中，总不可能凭空多出其它有颜色的东西吧？
关于元素的化合价——为什么选择高锰酸钾
要解释清楚这个问题啊，还得从高锰酸钾的核心——锰元素(25Mn)它本身说起。说到元素，就不得不提上一句化学学科最出圈的一张表——元素周期表,如图2。它记载着这个世界上所有的元素种类，我们周围的世界，一砖一瓦，一花一草，无不都是由着118种元素中的几种组成的。但这绝不是在说，一种元素只能有一种形态——银色铮亮的铁(Fe)只要在潮湿的空气里待上一段时间，便会生出一种红棕色的松散固体——铁锈。这两种物质绝不是一种东西，但组成它们的主要元素却都是26号元素铁。这是说，同种元素在不同的化合物里可以有不同的存在方式[2]。再看我们身边，不仅有许许多多的人，还有家里养的小宠物，窗外的绿植，甚至让你生病的那些细菌和病毒们，实际上都主要是由碳(6C)、氢(1H)、氧(8O)、氮(7N)四种元素组成的，只不过排列方式不同罢了。通过这两个例子，你应该知道，元素在化合物中存在的形式和排列方式都将直接影响这个物质的性质。
那么说回我们的主题——锰元素。聪明的你肯定会想到，既然铁和铁锈中的铁的不同存在形式造成了它们的颜色不同，那么我们的实验中，杯中一定始终是锰元素，没有多也没有少，那么造成它颜色改变的，一定也是存在形式不同吧！没错，但其实也有一点区别。像铁这样只由一种元素构成的物质，便叫做单质，实际上，我们能看到元素周期表里所有的金属（它们都有着金字旁），它们的单质除了铜(Cu)和金(Au)，都像铁这样，是银白色的金属，而今天的实验中我们可没有用什么金属片之类的原料。这就说明，锰元素在像二氧化锰(MnO2)和高锰酸钾(KMnO4)这样的化合物中，也有不同的存在形式。含有同种元素的化合物之间，其中元素的状态竟然也有差别！这岂不是说，世界上的一切物质，都会像这个实验一样，随着元素存在形式的变化而变化，不能稳定的存在吗？
图2 元素周期表示意图
先冷静一下，首先，其实并不是所有元素都有这样多变的本领。其次，元素也不能随意的这么变化。要知道这种变化究竟是怎么回事，我们还得从元素本身讲起。我们都知道，元素的原子是由原子核和核外电子够成的，而原子核中又有着中子和质子。实际上，元素的种类仅由原子核中的质子数决定。这听起来很反直觉，但元素种类确实和中子数量和电子数量没什么关系。那它们在原子中，都能决定什么呢？其中，中子数虽然和元素种类无关，却可以造就同种元素的不同原子核，我们称之为同位素，但这就是另一个话题了。我们还是重点关注电子数——根据电荷守恒，原子的质子数应等于其核外电子数，这样这个原子整体就是不带电的。不过，也并不是所有电子都这么乖乖待在它的位置上。它们可以离开原来的原子，也可以加入其他原子，这样一来元素的电子数便不再等于它的质子数。我们把电子离开或加入元素原子的情况叫做元素的化合价，把电子离开记为正，加入记为负，离开或加入了几个电子就称为这个元素是正或负的几价。事实上，前面所说的元素的变化就是化合价的变化。所以这个实验中，造成溶液颜色变化的便是锰元素化合价的变化。值得一提的是，并不是所有元素都有除了单质（我们称之为0价）以外的一种或以上的其他化合价，也不是所有化合价都具有如此艳丽的颜色。我们要寻找这样有颜色的化合价，最好是去元素周期表上的长周期——过渡金属中寻找，如图2所示。而其中，锰（第4行第7列）是化合价数量最多，每个化合价颜色最鲜艳的那一个，这就是锰元素的特殊之处[3]，也让它成为这个实验的主角。
化合价的变化——氧化还原反应的实质是电子转移
知道了元素的化合价，我们还要知道它是如何变化的，毕竟刚才也说了，元素化合价变化可不是随意的。刚才提到，电子可以逃离一个原子，也可以加入一个原子。如果它逃离一个原子，那么元素的化合价升高，我们称之为氧化反应。反之，如果它加入原子，则元素的化合价降低，称为还原反应，总体来看，有原子得到电子就必有原子失去，所以它们可以统称氧化还原反应。为了衡量电子有多么容易逃出或加入，也就是氧化反应和还原反应由多么容易进行，我们引入氧化还原电势的概念——电势越高，一个物质就越容易得到电子，氧化性就越强，反之亦然。金属锂(Li)是特别活泼的金属，最强的还原剂，特容易失去电子，氟单质(F2)很容易得到电子，是最强的氧化剂[4]，如表1所示。
表1 25℃时一些电对的标准电极电势（还原电势）[4]
| 电极 | 电极反应 | 电 对 | E（电对）/V |
| | | | |
| Li+\|Li | Li+ + e-Li | Li+/Li | -3.0401 |
| Zn2+\|Zn | Zn2+ + 2e- Zn | Zn2+/Zn | -0.7618 |
| Fe2+\|Fe | Fe2+ + 2e- Fe | Fe2+/Fe | -0.447 |
| H+\|H2\|Pt | 2H+ + 2e- H2 | H+/H2 | 0 |
| Cu2+\|Cu | Cu2+ + 2e- Cu | Cu2+/Cu | 0.342 |
| Cl-\|Cl2(g)\|Pt | Cl2 + 2e- 2Cl- | Cl2/Cl- | 1.358 |
| F-\|F2(g)\|Pt | F2 + 2e- 2F- | F2/F- | 2.866 |
话说到这儿，你一定想到了，毕竟电子的运动是靠静电作用，那么电子离开越多的地方，正电也就越多（或者说越缺电子），就越容易“抢来”一个电子，也就是越容易被还原，而使它还原的物质则被抢去电子，被氧化。反之同理。也就是说，对于几乎所有元素，化合价高的容易被还原，化合价低的容易被氧化[4,5]。没错，这就是上面这个实验的原理——高锰酸钾中的锰是+7价的，这可是一个很大的数字，所以它容易得到电子被还原。随着高锰酸钾中的锰一个个得到电子，它的化合价也逐渐变低，这样我们就可以看到锰不同化合价的特征颜色了，如图3所示。
知道了这些，这个杯中的彩虹也就没有什么神秘之处了。葡萄糖在弱碱性条件下（这碱性由苏打粉来提供，别小看它——它可是捕捉本实验色彩绚丽变化的关键物质），是容易被氧化的，它可以将电子给到缺电子的高锰酸钾，这样这个氧化还原反应就可以进行了。不过电子的转移是需要时间的，所以我们可以看到，锰从原来的+7价，一步步得到电子，逐渐成为+6价（墨绿色），+4价（黄色），+3价（橙红色）和最终的+2价（稀溶液，无色）[6]，每个颜色停留时间短，造就了这杯中彩虹的化学奇观。
图3 神奇的锰元素化合物变色实验原理示意图
结语
物质的变化是多样的，正如上面这个实验一般丰富多彩。而研究物质的变化的学科，便是化学。化学是一门生活的科学，它已经融入我们生活的方方面面，无处不化学。化学也是一门基础科学，刻画着大千世界运转的基本规律，构成了人们对眼前世界的基本理解。化学更是一门艺术，宇宙万物因化学而缤纷，世界因化学而多彩！如果你也对这世界上的种种变化感兴趣，那么，朋友，来学化学吧！
参考文献
孙重阳, 许燕红, 陈翩. 高锰酸钾及其性质系列实验的探究[J]. 化学教学,2016,(9): 68-71.
李淑妮, 翟全国, 蒋育澄, 胡满成, 刘志宏, 高胜利. 元素周期表与化学教育——纪念门捷列夫元素周期表发表150周年[J]. 大学化学,2019,34(12): 2-7.
The Editors of Encyclopaedia Britannica. [2025-05-28] (2025-05-29). https://www.britannica.com/science/manganese.
宋天佑，程鹏，徐家宁. “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材无机化学上[M]. 北京：高等教育出版社，2019：335-355.
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宋天佑,徐家宁,程功臻. “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材无机化学下[M]. 北京：高等教育出版社，2019：795-802.
