定量测定碳酸饮料与曼妥思混合过程的压强变化

洪湘琼+宋安邦+王奕飞+徐越昊

摘要：利用压强传感器定量測定了不同种类的碳酸饮料与不同口味的曼妥思混合时产生的压强，并设计正交实验找到产生最大压强的实验条件。通过推算可知，同时食用曼妥思与碳酸饮料一般不会造成生命危险。为进一步研究成核作用的影响因素，重新设计了反应装置，重点测量曼妥思中的各类成分与雪碧混合时产生的压强值，发现影响压强的因素主要是固体颗粒的接触面积，此外还与溶解度和物质表面的结构等因素有关。

关键词：曼妥思；碳酸饮料；压强传感器；成核作用；实验探究

文章编号：1005–6629（2017）7–0064–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题提出

曼妥思（Mentos）是20世纪50年代从荷兰开始流行的一种糖果，其主要成分有蔗糖、葡萄糖浆、淀粉，添加剂有阿拉伯胶、巴西棕榈蜡等。将曼妥思迅速投入可乐瓶中，会产生大量气泡并带着可乐从瓶口喷射出来，形成一定高度的“喷泉”。网络上流传着“曼妥思+可乐=死亡”的言论，并声称这两种物质同时食用会导致死亡，那么事实是否如此？这种现象发生的化学原理究竟是什么？我们先是用可口可乐、百事可乐、雪碧与薄荷味的曼妥思进行定性实验，发现确实会产生“可乐喷泉”的现象，但这些实验过程耗费用品过多，仅凭肉眼很难分辨曼妥思的种类和饮料类别对实验结果的影响。因此，我们选择压强传感器定量探究曼妥思与碳酸饮料混合时，在不同实验条件下的压强变化，以期用精确的科学数据来分析曼妥思与碳酸饮料同时食用是否对人体造成生命危险。另外，在研究曼妥思成分的实验过程中我们发现，不同的成分均会与碳酸饮料产生气泡。通过查阅文献我们了解到实验产生气泡是一种成核作用，这种成核作用与凝结核的数目有关，故而我们也希望通过比较各类成分与雪碧混合的压强值来探究影响凝结核数目的一些因素。

2 实验部分

2.1 定量测量不同口味曼妥思与三种碳酸饮料混合产生的压强

2.1.1 实验仪器与药品

可口可乐、百事可乐、雪碧、不同口味的曼妥思、计算机、威尼尔数据采集器、威尼尔压强传感器、锥形瓶（250mL）、研钵（见图1）

2.1.2 实验过程及启示

（1）实验探究确定与50mL可口可乐反应的曼妥思最大量。

将50mL可口可乐加入锥形瓶（250mL）中，待数据稳定后，测定并记录其初始压强值；加入薄荷味的曼妥思并迅速塞上橡皮塞，记录60s时的压强值并与初始值相减得到压强差，每组实验平行进行三次取平均值（见表1）。

将气体压强差值与曼妥思的颗粒数绘成折线统计图（见图2），发现曼妥思数量达到6颗以上时，压强增大不明显。另外，实验过程中，曼妥思数量过大也会给实验操作增加不稳定因素而导致实验数据的不稳定。因而我们确定6颗曼妥思和50mL碳酸饮料为实验探究过程中反应的最大量。

（2）利用正交实验法探究不同碳酸饮料与不同口味曼妥思的反应情况。

具体实验过程中，我们考虑了4个因素和3个水平（见表2），选择了L9（34）的正交实验表进行正交实验设计，实验结果见表3。

表3数据表明：雪碧与6颗1/4大小薄荷味的曼妥思反应产生的压强值最大。根据正交实验的因素分析思路，我们求算了各因素的极差R的具体数值（见表4）。由极差分析结果可以看出，各因素的影响程度依次为：物体的大小状态>饮料的类别>物体的多少>曼妥思的种类。由此我们进一步判断出，产生最大压强的实验条件为：50mL的雪碧与6颗研碎状的薄荷味的曼妥思。

（3）实验探究分析曼妥思与碳酸饮料同服对胃的影响。

根据正交实验结果，我们用50mL的雪碧与6颗研碎状的薄荷味的曼妥思进行三组平行实验求取平均值（见表5）；另外，考虑人的正常体温为37℃，控制其他条件不变，把锥形瓶放入37℃的温水浴中，进行三组平行实验求取平均值（见表5）。

锥形瓶的实际容积为300mL，将其容积减去50mL雪碧及曼妥思的体积（10mL）可得气体的实际体积为0.24L。假设反应前后温度不变，不考虑曼妥思的溶解：根据P1V1=P2V2可求算出正常气压下瓶内气体的总体积V1=300.01mL，则V（CO2）=300.01-240=60.01mL，50mL雪碧与6颗薄荷味曼妥思及产生气体的总体积V=120.01mL。市售一瓶小雪碧的容量为600mL，假设其与72颗曼妥思共同混合，只考虑37℃时曼妥思与雪碧接触产生的气体以及雪碧本身体积对胃部的影响，其产生的物质总体积V总=12V=1440.12mL。

胃在饥饿状态时会缩成一根管状，在丰满状态则会扩大到原来的1～10倍。成年人的胃在丰满状态时的容积大约为3000mL，10～12岁的儿童胃在丰满状态下的容积为1500mL左右。忽略吞咽饮料和曼妥思时的其他因素及胃部排气的干扰，一瓶600mL雪碧与72颗曼妥思同时食用所产生的气液总体积均未超过人体胃部能承受的最大容积，因此只喝一瓶600mL雪碧并迅速食用曼妥思一般不会对成年人造成生命危险，可能会因胃部迅速扩张产生不适症状。

2.2 深入探究雪碧與薄荷味曼妥思反应的实质

2.2.1 实验药品及仪器

雪碧、薄荷味的曼妥思、白砂糖、淀粉、阿拉伯胶、薄荷油、粉笔灰、大米、活性炭、氯化钠、硫酸铜晶体、计算机、威尼尔数据采集器、压强传感器、固液反应压强测定装置（自行设计，见图3）、研钵、电子天平

2.2.2 实验过程及启示

此过程中选用的均为固体粉末进行实验，由于粉状物质容易漂浮在液面上使粉末与液体无法完全接触，我们用自行设计的固液反应压强测定装置（见图3）代替锥形瓶进行实验。具体实验操作为：先将30mL雪碧沿固液反应压强测定装置开口处缓慢加入，然后横置使右半管封口段在下；用纸槽将2.7g各种固体粉末转移至左半管中，点击数据采集器，并塞上压强传感器；将固液反应压强测定装置竖立，使固体粉末与液体充分接触，记录下60s后的压强值并求算60s内的压强差。每组实验平行操作3次，取平均值。

（1）探究曼妥思的主要成分对雪碧释放CO2的影响程度。

取曼妥思的主要成分细白糖和淀粉进行实验，将实验数据与雪碧60s自发释放CO2的压强值作比较（见表6），可见在曼妥思中白砂糖和淀粉与雪碧的接触均会加速雪碧释放CO2。

（2）探究薄荷味曼妥思中的添加剂对雪碧释放CO2的影响程度。

分别取喷洒过薄荷油和混合了阿拉伯胶的细白糖进行实验，将数据与纯细白糖的实验数据作比较，发现阿拉伯胶和薄荷油均能促进雪碧释放CO2（见表7）。

（3）探究固体物质加速雪碧释放CO2的实质。

固体物质投入雪碧中会产生大量的气泡，气泡的出现是一种成核作用，成核作用是需要能量的。水中并没有供气泡容身的空腔，新产生的气体必须打破水分子之间的吸引力挤出一块空间来才能形成气泡。投入的固体物质可以形成大量的凝结核，凝结核使成核作用更易发生。当溶液中有凝结核时，形成气泡所需要的能量减小，气体更容易释放出来。实验数据（见表8）表明不同的固体物质投入雪碧中，其粗糙的表面均会为成核作用提供凝结核，促进CO2大量释放。

由表中数据可见：相同条件下，同一物质大颗粒与雪碧产生的气体压强要低于小颗粒物质（白砂糖除外）。这主要因为颗粒小的物质，接触面积相对较大，凝结核也较多，对成核作用促进更强；而颗粒大的物质，接触面积则相对较小，对成核作用促进也弱。

将实验中的固体物质按溶解性进行分类比较：白砂糖的特殊性与溶解度有关。查阅资料得知三种物质20℃时的溶解度（白砂糖：204g/100g水，氯化钠：36g/100g水，硫酸铜晶体：20.7g/100g水），白砂糖的溶解度比另两种物质高很多，由此推测研细后的白砂糖接触液体后大量溶解导致固体较少，提供的凝结核数量少，而未研细的白砂糖由于颗粒较大，溶解过程较慢，可以提供的凝结核较多，因此使产生CO2的压强值更大。

综合比较所有的压强值，活性炭的数值最高，这主要是因为活性炭疏松多孔的表面结构，能为成核作用提供大量的凝结核。

3 结语

借助数字化实验仪器，对曼妥思与碳酸饮料反应情况进行定量化探究，发现曼妥思与碳酸饮料同服未必会把胃撑破。通过对各类成分的进一步探究，薄荷油和阿拉伯胶对于CO2的释放均有一定的促进作用。除了曼妥思与碳酸饮料混合会产生大量气泡外，只要是具有粗糙表面结构的固体，均会促进碳酸饮料中CO2的释放。这种现象的实质是成核作用，成核作用的发生需要凝结核。凝结核的数量受接触面积、粗糙程度还有溶解度等因素的影响。

参考文献：

[1]孟昭旭.“可乐喷泉”现象释疑[J].试验报告与理论研究，2009，（8）：14～17.

[2]张弛.指导学生研究“沸腾可乐”的成因[J].中学化学教学参考，2009，（5）：47～49.

[3]李玉贤，张佳乐，刘金浩.正交实验法优化咖啡因提取实验工艺研究[J].实验室科学，2011，（2）：105～107.