曼妥思与可乐反应的原理(科学家居然在山顶做起了“沸腾可乐”的实验)

Posted 2023-05-29

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在高海拔地区进行这个实验时，反应要更戏剧化。

可乐加曼妥思成为一个展示化学和物理原理的绝佳实验。

在基本层面上，背后的解释相当简单：二氧化碳在压力下溶解到可乐中。当你打开瓶盖时，会改变压力，让一些气体从溶液中溢出，并根据古老的气体定律溶解到大气中。

随着空气进入（如摇晃瓶子），更多液体暴露在空气中，会排出更多的气体；曼妥思糖果只是以一种戏剧化的方式加速了这个过程。

早期的研究表明，糖果壳中的小坑为微小的气泡提供了完美的安身之处。因此，当其中一颗沉入饮料中时，其表面为瓶子深处溶解的二氧化碳提供了大量的空气，使其迅速进入并充满瓶子。

直到现在，这些微小的成核气泡的确切大小只能根据糖果纹理壳的显微镜图像进行估计。

这不是一个微不足道的问题。为了让二氧化碳离开溶液，每个气泡都要提供适当数量的表面积，以供大量气体流动。

从理论上讲，它们需要的直径需大于一微米，但更大的气泡也会占用更多的空间，从而减少成核位置的数量，并可能影响整体流速。

由于没有简单的方法来直观地捕捉这个时刻，因此解决这一问题需要巧妙地使用物理学中的关键关系，这意味着将数字放入诸如压强和体积之类的变量中。

斯普林阿伯大学化学家（自称曼妥思和可乐的狂热粉丝）Thomas Kuntzleman注意到，在高海拔地区进行这个实验时，反应要更戏剧化。

早在2018年，Kuntzleman获得了一个他梦寐以求的父亲节礼物。他得到了家人的认可，进行一次全国公路旅行，这使得他可以在世界各地进行实验。

不同海拔的实验情况图自Kuntzleman & Johnson, Journal of Chemical Education, 2020

Kuntzleman说道：“为此，我们在美国的许多地方进行了实验，海拔范围从死亡谷的海平面以下到派克峰山顶的14000英尺（4300米）以上。我们玩的非常尽兴。”

与此同时，他缠着他的朋友——科学老师Ryan Johnson在科罗拉州的一座山的山坡上进行了实验。

他们发现，单靠气压无法解释他们的观察结果，还存在一些有助于产生泡沫的更细微的变量。

Kuntzleman和Johnson将气压变化的数据和脱气损失的质量测量数据相结合，在不同糖果之间相比较，很快就理解了为何曼妥思是此类实验的首选。

他们方程表明，这些成核位点的直径在2至7微米之间，这个尺寸在糖果表面的气泡大小和成核位密度之间提供了相当好的折中。

他们的结论也相对接近于糖果外壳凹坑的显微照片，建立在现有模型的基础上。

毫无疑问，这结果对于曼妥思的营销团队来说是一个好消息，他们未来的口号应该有着落了。但真正的赢家将是教师们，他们正在寻找数据来培训他们未来的化学家和物理学家们。

蝌蚪五线谱编译自sciencealert，译者李彤馨，转载须授权