Как высота влияет на эффект «колы» и Mentos: новое исследование ученых.

Новости МирТесен

Анализ новых условий позволил выявить зависимость реакции от размера микропор в конфетах и облегчил ее понимание на микроуровне.

Реакция с выбросом пены и образованием фонтана при помещении мятных конфет Mentos в бутылку колы – давно признанная забава, применяемая педагогами и популяризаторами науки для стимулирования интереса к физике и химии у юного поколения. Тем не менее, некоторые детали происходящих микроскопических процессов оставались недостаточно изученными. Авторы научной работы, опубликованной в издании Journal of Chemical Education, провели анализ влияния давления и характеристик микропор в конфетах на эффектный трюк. В рамках экспериментальной фазы исследования ученые работали в необычных местах Америки, таких как Долина Смерти и горная вершина Пайкс-Пик, зафиксировав некоторые наблюдения на видеозапись.

В своей основе объяснение этому явлению несложно: углекислый газ изначально находится в растворенном состоянии внутри жидкости под воздействием давления. Снижение давления при открытии бутылки вызывает уменьшение концентрации газа, растворённого в ней, и приводит к его высвобождению в окружающую среду.

Интенсивность взаимодействия раствора с воздухом напрямую влияет на скорость выхода газа: это можно наблюдать, например, при встряхивании бутылки. Конфеты Mentos лишь значительно ускоряют этот процесс. Более ранние исследования выявили, что пористая структура этих конфет создает оптимальные условия для удержания мельчайших пузырьков воздуха. При добавлении одной такой конфеты в напиток, ее поверхность обеспечивает эффективный контакт с воздухом и с растворенным углекислым газом, находящимся внутри бутылки. Высвободившийся газ стремительно выходит наружу.

До недавнего времени точный размер этих микроскопических пузырьков можно было определить только путем анализа микроскопических изображений текстурированной оболочки конфеты. Это значимый фактор с точки зрения влияния на реакцию, поскольку для высвобождения углекислого газа каждый пузырек должен обладать достаточной площадью поверхности, обеспечивающей необходимый газовый поток. В теории их диаметр должен превышать один микрон, однако более крупные пузырьки также увеличивают общий объем, сокращая число участков, где начинается реакция, что потенциально может повлиять на ход процесса.

Поскольку наблюдение за моментом высвобождения газа в таких микроскопических масштабах в обычных условиях не представляется возможным, исследователи разработали специальный метод. Это потребовало применения фундаментальных физических принципов, управляющих реакцией, включая такие параметры как давление и объём.

Томас Кунцлеман, профессор химии из Университета Спринг-Арбор, неожиданно обнаружил, что скорость этой реакции значительно возрастает при проведении на большой высоте. Убедившись в этом, он обратился к своему коллеге из Колорадо, Райану Джонсону, чтобы совместно проверить выдвинутую гипотезу. Кунцлеман и Джонсон провели серию экспериментов (и заодно от души повеселились, как можно видетьВ видеосериале Кунцлемана «Удивительные эксперименты» эти явления демонстрировались в широком диапазоне мест: начиная с Долины Смерти, где поверхность находится под уровнем моря, и заканчивая горными пиками Скалистых гор на высоте четыре тысячи триста метров над уровнем океана.

Полученные результаты показали, что для объяснения наблюдений недостаточно только давления воздуха, что указывает на необходимость разработки более точных параметров, влияющих на образование пены. Сопоставляя данные об изменениях давления воздуха с измерениями массы, потерянной в процессе дегазации, и анализируя различные виды конфет, Кунцлеман и Джонсон смогли достаточно хорошо разобраться в причинах, по которым Mentos является оптимальным выбором для такого эксперимента.

Разработанные ими формулы указывают на то, что диаметр этих участков, где происходит высвобождение газа, составляет от двух до семи микрометров. Это обеспечивает оптимальное соотношение между размерами образующихся пузырьков и количеством таких точек на поверхности конфеты. Полученные выводы хорошо согласуются с существующими теориями, описывающими эту реакцию, а также с результатами микроскопических исследований пор, выполненных в соответствии с этими моделями.

Эти сведения окажутся полезными для педагогов и популяризаторов науки, которые работают с детьми. Они смогут более глубоко разобраться в механизмах протекания процесса и, следовательно, лучше объяснять его своим зрителям, представляя им мир как одновременно сложный и доступный для понимания, что будет способствовать пробуждению интереса у новых поколений к изучению тайн физики и химии.