Додавання м’ятних цукерок mentos в пляшку коли, що викликає бурхливу реакцію і фонтан піни, — вже класична розвага, що використовується вчителями і популяризаторами в усьому світі для того, щоб пробудити у дітей інтерес до фізики і хімії. Однак деякі мікропроцеси, що відбуваються при цьому, до цих пір були вивчені мало. Автори статті, опублікованої у виданні journal of chemical education, з’ясували, як тиск і розмір мікропор в цукерці вплинули на знаменитий трюк. Експериментальну частину свого дослідження команда провела в таких вражаючих куточках сполучених штатів, як долина смерті і вершина пайкс-пік в скелястих горах, знявши деякі результати на відео.

На базовому рівні пояснення реакції досить просте: спочатку со2 розчинений в рідині під тиском. Розгерметизація пляшки призводить до зміни тиску, в результаті чого концентрація газу в рідині знижується, і частина його виходить в атмосферу.

Чим активніше розчин взаємодіє з навколишнім повітрям, тим активніше виходить газ: так, наприклад, буде, якщо потрясти пляшку. Mentos просто ефектно прискорюють цей процес. Попередні дослідження показали, що пориста структура цукерок забезпечує ідеальні «пастки», захоплюючі крихітні бульбашки повітря. Коли одна така “таблетка” потрапляє в напій, її поверхня забезпечує відмінний контакт з повітрям для розчиненого со2 глибоко всередині пляшки. Утворився газ негайно спрямовується назовні.

До цих пір точний розмір цих крихітних бульбашок можна було оцінити тільки на основі мікрографічних зображень текстурованої оболонки цукерки. При цьому з точки зору впливу на реакцію це важливе питання: щоб вуглекислий газ покинув розчин, кожен бульбашка повинен забезпечувати необхідну площу поверхні для достатнього потоку газу. Теоретично вони повинні бути більше одного мікрометра в поперечнику, але більші бульбашки також займають більше місця, зменшуючи кількість областей, в яких починає стартувати реакція, що теж потенційно може впливати на перебіг процесу.

відео, зняте вченими / © youtube-tommy technetium

Так як зняти момент вивільнення газу на такому мікрорівні при звичайних умовах неможливо, вчені придумали спеціальне рішення. Це вимагало використання ключових фізичних взаємозв’язків реакції, а саме — таких змінних, як тиск і обсяг.

Томас кунцлеман, професор хімії з університету спрінг-арбор, випадково з’ясував, що ця реакція протікає ще драматичніше, якщо вона трапилася на великих висотах. Виявивши це, він, зв’язавшись зі своїм колегою з колорадо райаном джонсоном, вирішив перевірити свою гіпотезу. Кунцлеман і джонсон провели серію дослідів (і заодно від душі повеселилися, як можна бачити у відеоблозі кунцлемана «неймовірні дослідження») в самих різних умовах: від долини смерті, де висота поверхні землі лежить нижче рівня моря, до вершини в скелястих горах на рівні 4300 метрів.

трюк з mentos і колою на різних висотах над рівнем моря / © kuntzleman&johnson, journal of chemical education, 2020

Вони виявили, що тільки тиск повітря не може пояснити отримані спостереження, залишаючи місце для виведення більш точних змінних, які сприяють піноутворення. Комбінуючи дані про коливання тиску повітря з вимірами маси, втраченої при дегазації, а також з порівняннями між різними цукерками, кунцлеман і джонсон незабаром непогано зрозуміли, чому mentos — кращий вибір для цього виду діяльності.

Їх рівняння припускають, що ці центри вивільнення газу мають діаметр від двох до семи мікрометрів, що забезпечує баланс і компроміс між розміром бульбашок і потрібною кількістю центрів на поверхні цукерки. Висновок добре поєднується з існуючими моделями, що пояснюють реакцію, а також з мікрографічними зображеннями пор, заснованих на цих моделях.

Отримані дані допоможуть вчителям і популяризаторам науки, які працюють з дітьми, глибше розуміти механіку процесу, а значить, краще пояснити її своїм глядачам і показати їм світ одночасно більш складним і зрозумілим, залучаючи нові покоління розгадувати таємниці фізики і хімії.