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(cè)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(cè)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(lái)，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(lái)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(lái)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(cè)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(cè)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?jī)?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(lái)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(cè)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(wú)法完全接觸，我們用自行設(shè)計(jì)的固液反應(yīng)壓強(qiáng)測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)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(lái)。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(cè)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(yǔ)

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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