定量測定碳酸飲料與曼妥思混合過程的壓強(qiáng)變化

洪湘瓊+宋安邦+王奕飛+徐越昊

摘要：利用壓強(qiáng)傳感器定量測定了不同種類的碳酸飲料與不同口味的曼妥思混合時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)，并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)找到產(chǎn)生最大壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)條件。通過推算可知，同時(shí)食用曼妥思與碳酸飲料一般不會(huì)造成生命危險(xiǎn)。為進(jìn)一步研究成核作用的影響因素，重新設(shè)計(jì)了反應(yīng)裝置，重點(diǎn)測量曼妥思中的各類成分與雪碧混合時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)值，發(fā)現(xiàn)影響壓強(qiáng)的因素主要是固體顆粒的接觸面積，此外還與溶解度和物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

關(guān)鍵詞：曼妥思；碳酸飲料；壓強(qiáng)傳感器；成核作用；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）7–0064–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題提出

曼妥思（Mentos）是20世紀(jì)50年代從荷蘭開始流行的一種糖果，其主要成分有蔗糖、葡萄糖漿、淀粉，添加劑有阿拉伯膠、巴西棕櫚蠟等。將曼妥思迅速投入可樂瓶中，會(huì)產(chǎn)生大量氣泡并帶著可樂從瓶口噴射出來，形成一定高度的“噴泉”。網(wǎng)絡(luò)上流傳著“曼妥思+可樂=死亡”的言論，并聲稱這兩種物質(zhì)同時(shí)食用會(huì)導(dǎo)致死亡，那么事實(shí)是否如此？這種現(xiàn)象發(fā)生的化學(xué)原理究竟是什么？我們先是用可口可樂、百事可樂、雪碧與薄荷味的曼妥思進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)確實(shí)會(huì)產(chǎn)生“可樂噴泉”的現(xiàn)象，但這些實(shí)驗(yàn)過程耗費(fèi)用品過多，僅憑肉眼很難分辨曼妥思的種類和飲料類別對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。因此，我們選擇壓強(qiáng)傳感器定量探究曼妥思與碳酸飲料混合時(shí)，在不同實(shí)驗(yàn)條件下的壓強(qiáng)變化，以期用精確的科學(xué)數(shù)據(jù)來分析曼妥思與碳酸飲料同時(shí)食用是否對(duì)人體造成生命危險(xiǎn)。另外，在研究曼妥思成分的實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，不同的成分均會(huì)與碳酸飲料產(chǎn)生氣泡。通過查閱文獻(xiàn)我們了解到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生氣泡是一種成核作用，這種成核作用與凝結(jié)核的數(shù)目有關(guān)，故而我們也希望通過比較各類成分與雪碧混合的壓強(qiáng)值來探究影響凝結(jié)核數(shù)目的一些因素。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 定量測量不同口味曼妥思與三種碳酸飲料混合產(chǎn)生的壓強(qiáng)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

可口可樂、百事可樂、雪碧、不同口味的曼妥思、計(jì)算機(jī)、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、威尼爾壓強(qiáng)傳感器、錐形瓶（250mL）、研缽（見圖1）

2.1.2 實(shí)驗(yàn)過程及啟示

（1）實(shí)驗(yàn)探究確定與50mL可口可樂反應(yīng)的曼妥思最大量。

將50mL可口可樂加入錐形瓶（250mL）中，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，測定并記錄其初始?jí)簭?qiáng)值；加入薄荷味的曼妥思并迅速塞上橡皮塞，記錄60s時(shí)的壓強(qiáng)值并與初始值相減得到壓強(qiáng)差，每組實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行三次取平均值（見表1）。

將氣體壓強(qiáng)差值與曼妥思的顆粒數(shù)繪成折線統(tǒng)計(jì)圖（見圖2），發(fā)現(xiàn)曼妥思數(shù)量達(dá)到6顆以上時(shí)，壓強(qiáng)增大不明顯。另外，實(shí)驗(yàn)過程中，曼妥思數(shù)量過大也會(huì)給實(shí)驗(yàn)操作增加不穩(wěn)定因素而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。因而我們確定6顆曼妥思和50mL碳酸飲料為實(shí)驗(yàn)探究過程中反應(yīng)的最大量。

（2）利用正交實(shí)驗(yàn)法探究不同碳酸飲料與不同口味曼妥思的反應(yīng)情況。

具體實(shí)驗(yàn)過程中，我們考慮了4個(gè)因素和3個(gè)水平（見表2），選擇了L9（34）的正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3數(shù)據(jù)表明：雪碧與6顆1/4大小薄荷味的曼妥思反應(yīng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)值最大。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的因素分析思路，我們求算了各因素的極差R的具體數(shù)值（見表4）。由極差分析結(jié)果可以看出，各因素的影響程度依次為：物體的大小狀態(tài)>飲料的類別>物體的多少>曼妥思的種類。由此我們進(jìn)一步判斷出，產(chǎn)生最大壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)條件為：50mL的雪碧與6顆研碎狀的薄荷味的曼妥思。

（3）實(shí)驗(yàn)探究分析曼妥思與碳酸飲料同服對(duì)胃的影響。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們用50mL的雪碧與6顆研碎狀的薄荷味的曼妥思進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)求取平均值（見表5）；另外，考慮人的正常體溫為37℃，控制其他條件不變，把錐形瓶放入37℃的溫水浴中，進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)求取平均值（見表5）。

錐形瓶的實(shí)際容積為300mL，將其容積減去50mL雪碧及曼妥思的體積（10mL）可得氣體的實(shí)際體積為0.24L。假設(shè)反應(yīng)前后溫度不變，不考慮曼妥思的溶解：根據(jù)P1V1=P2V2可求算出正常氣壓下瓶內(nèi)氣體的總體積V1=300.01mL，則V（CO2）=300.01-240=60.01mL，50mL雪碧與6顆薄荷味曼妥思及產(chǎn)生氣體的總體積V=120.01mL。市售一瓶小雪碧的容量為600mL，假設(shè)其與72顆曼妥思共同混合，只考慮37℃時(shí)曼妥思與雪碧接觸產(chǎn)生的氣體以及雪碧本身體積對(duì)胃部的影響，其產(chǎn)生的物質(zhì)總體積V總=12V=1440.12mL。

胃在饑餓狀態(tài)時(shí)會(huì)縮成一根管狀，在豐滿狀態(tài)則會(huì)擴(kuò)大到原來的1～10倍。成年人的胃在豐滿狀態(tài)時(shí)的容積大約為3000mL，10～12歲的兒童胃在豐滿狀態(tài)下的容積為1500mL左右。忽略吞咽飲料和曼妥思時(shí)的其他因素及胃部排氣的干擾，一瓶600mL雪碧與72顆曼妥思同時(shí)食用所產(chǎn)生的氣液總體積均未超過人體胃部能承受的最大容積，因此只喝一瓶600mL雪碧并迅速食用曼妥思一般不會(huì)對(duì)成年人造成生命危險(xiǎn)，可能會(huì)因胃部迅速擴(kuò)張產(chǎn)生不適癥狀。

2.2 深入探究雪碧與薄荷味曼妥思反應(yīng)的實(shí)質(zhì)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

雪碧、薄荷味的曼妥思、白砂糖、淀粉、阿拉伯膠、薄荷油、粉筆灰、大米、活性炭、氯化鈉、硫酸銅晶體、計(jì)算機(jī)、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、壓強(qiáng)傳感器、固液反應(yīng)壓強(qiáng)測定裝置（自行設(shè)計(jì)，見圖3）、研缽、電子天平

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過程及啟示

此過程中選用的均為固體粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于粉狀物質(zhì)容易漂浮在液面上使粉末與液體無法完全接觸，我們用自行設(shè)計(jì)的固液反應(yīng)壓強(qiáng)測定裝置（見圖3）代替錐形瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)操作為：先將30mL雪碧沿固液反應(yīng)壓強(qiáng)測定裝置開口處緩慢加入，然后橫置使右半管封口段在下；用紙槽將2.7g各種固體粉末轉(zhuǎn)移至左半管中，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集器，并塞上壓強(qiáng)傳感器；將固液反應(yīng)壓強(qiáng)測定裝置豎立，使固體粉末與液體充分接觸，記錄下60s后的壓強(qiáng)值并求算60s內(nèi)的壓強(qiáng)差。每組實(shí)驗(yàn)平行操作3次，取平均值。

（1）探究曼妥思的主要成分對(duì)雪碧釋放CO2的影響程度。

取曼妥思的主要成分細(xì)白糖和淀粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與雪碧60s自發(fā)釋放CO2的壓強(qiáng)值作比較（見表6），可見在曼妥思中白砂糖和淀粉與雪碧的接觸均會(huì)加速雪碧釋放CO2。

（2）探究薄荷味曼妥思中的添加劑對(duì)雪碧釋放CO2的影響程度。

分別取噴灑過薄荷油和混合了阿拉伯膠的細(xì)白糖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)與純細(xì)白糖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較，發(fā)現(xiàn)阿拉伯膠和薄荷油均能促進(jìn)雪碧釋放CO2（見表7）。

（3）探究固體物質(zhì)加速雪碧釋放CO2的實(shí)質(zhì)。

固體物質(zhì)投入雪碧中會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡的出現(xiàn)是一種成核作用，成核作用是需要能量的。水中并沒有供氣泡容身的空腔，新產(chǎn)生的氣體必須打破水分子之間的吸引力擠出一塊空間來才能形成氣泡。投入的固體物質(zhì)可以形成大量的凝結(jié)核，凝結(jié)核使成核作用更易發(fā)生。當(dāng)溶液中有凝結(jié)核時(shí)，形成氣泡所需要的能量減小，氣體更容易釋放出來。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表8）表明不同的固體物質(zhì)投入雪碧中，其粗糙的表面均會(huì)為成核作用提供凝結(jié)核，促進(jìn)CO2大量釋放。

由表中數(shù)據(jù)可見：相同條件下，同一物質(zhì)大顆粒與雪碧產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)要低于小顆粒物質(zhì)（白砂糖除外）。這主要因?yàn)轭w粒小的物質(zhì)，接觸面積相對(duì)較大，凝結(jié)核也較多，對(duì)成核作用促進(jìn)更強(qiáng)；而顆粒大的物質(zhì)，接觸面積則相對(duì)較小，對(duì)成核作用促進(jìn)也弱。

將實(shí)驗(yàn)中的固體物質(zhì)按溶解性進(jìn)行分類比較：白砂糖的特殊性與溶解度有關(guān)。查閱資料得知三種物質(zhì)20℃時(shí)的溶解度（白砂糖：204g/100g水，氯化鈉：36g/100g水，硫酸銅晶體：20.7g/100g水），白砂糖的溶解度比另兩種物質(zhì)高很多，由此推測研細(xì)后的白砂糖接觸液體后大量溶解導(dǎo)致固體較少，提供的凝結(jié)核數(shù)量少，而未研細(xì)的白砂糖由于顆粒較大，溶解過程較慢，可以提供的凝結(jié)核較多，因此使產(chǎn)生CO2的壓強(qiáng)值更大。

綜合比較所有的壓強(qiáng)值，活性炭的數(shù)值最高，這主要是因?yàn)榛钚蕴渴杷啥嗫椎谋砻娼Y(jié)構(gòu)，能為成核作用提供大量的凝結(jié)核。

3 結(jié)語

借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)曼妥思與碳酸飲料反應(yīng)情況進(jìn)行定量化探究，發(fā)現(xiàn)曼妥思與碳酸飲料同服未必會(huì)把胃撐破。通過對(duì)各類成分的進(jìn)一步探究，薄荷油和阿拉伯膠對(duì)于CO2的釋放均有一定的促進(jìn)作用。除了曼妥思與碳酸飲料混合會(huì)產(chǎn)生大量氣泡外，只要是具有粗糙表面結(jié)構(gòu)的固體，均會(huì)促進(jìn)碳酸飲料中CO2的釋放。這種現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是成核作用，成核作用的發(fā)生需要凝結(jié)核。凝結(jié)核的數(shù)量受接觸面積、粗糙程度還有溶解度等因素的影響。

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