(Tommy Technetium/YouTube) Das Hinzufügen von Mentos-Minzbonbon-Pellets zu kohlensäurehaltigen Getränken ist seit Jahren ein fester Bestandteil der Wissenschaft. Während die meisten Zehnjährigen erklären können, warum dabei ein Geysir aus Schaum entsteht, waren bestimmte mikroskopische Merkmale der Reaktion nicht so einfach herauszufinden.
Ein Chemieprofessor an der Spring Arbor University in den USA hat sich mit einem High-School-Lehrer aus Colorado zusammengetan, um die Reaktion genau im entscheidenden Moment zu kartieren und komplizierte neue Details über die Größe der Blasen zu enthüllen, die die Sprudelfontäne erzeugen.
Dazu gingen sie etwas weiter als bis zur Turnhalle oder dem Lehrerparkplatz. Dieses Experiment führte sie fast buchstäblich bis ans Ende der Welt, vom Death Valley in Kalifornien bis zur Spitze des Pikes Peak in den Rocky Mountains.
Dank seiner Einfachheit, Sicherheit und geringen Kosten (ganz zu schweigen von der Beliebtheit in den frühen sozialen Medien) ist die Aktivität „Mentos und Coke“ ein Dauerbrenner im Klassenzimmer, um eine Vielzahl von Prinzipien in Chemie und Physik zu demonstrieren.
Grundsätzlich ist die Erklärung hinter der Reaktion ziemlich einfach: Kohlendioxid wird unter Druck in Koks gelöst. Durch Öffnen des Flaschendeckels ändert sich der Druck, sodass ein Teil des Gases aus der Lösung herausfällt und sich gemäß den guten alten Gasgesetzen in der Atmosphäre auflöst.
Wenn mehr Lösung der Umgebungsluft ausgesetzt wird, kann mehr Gas entweichen (z. B. wenn man die Flasche schüttelt); Eine Mentos-Süßigkeit beschleunigt diesen Prozess auf dramatische Weise.
Vorherige Studien haben gezeigt, dass winzige Vertiefungen in der Bonbonschale die perfekten Fallen für winzige Luftbläschen darstellen. Wenn also eine dieser weißen Scheiben in das Getränk eintaucht, bietet ihre Oberfläche eine Luftfläche, in die gelöstes Kohlendioxid tief im Inneren der Flasche eindringen und diese füllen kann .
Bisher konnte die genaue Größe dieser winzigen Keimblasen nur anhand mikroskopischer Bilder der strukturierten Hülle der Süßigkeit abgeschätzt werden.
Es ist auch keine triviale Frage. Damit Kohlendioxid die Lösung verlassen kann, muss jede Blase die richtige Oberfläche haben, damit reichlich Gas strömen kann.
Theoretisch müssen sie einen Durchmesser von mehr als einem Mikrometer haben, aber größere Blasen nehmen auch mehr Platz ein, was die Anzahl der Keimbildungsstellen verringert und möglicherweise die Gesamtströmungsrate beeinflusst.
Da es keine einfache Möglichkeit gibt, den Moment visuell festzuhalten, erfordert die Lösung eine geschickte Nutzung wichtiger physikalischer Zusammenhänge, also die Zuordnung von Zahlen zu Variablen wie Druck und Volumen.
Thomas Kuntzleman, Chemiker der Spring Arbor University (und selbsternannter Mentos- und Coke-Fan), hatte bemerkt, dass die Reaktion weitaus dramatischer ist, wenn sie in großen Höhen stattfindet.
Im Jahr 2018 hatte Kuntzleman ein Vatertagsgeschenk, das er unbedingt nutzen wollte. Er hatte die Erlaubnis seiner Familie, sein Lieblingsexperiment auf eine landesweite Reise mitzunehmen, um Versuche in der realen Welt durchzuführen.
Mentos und Cola in verschiedenen Höhen. (Kuntzleman & Johnson, Journal of Chemical Education, 2020)
„Zu diesem Zweck haben wir das Experiment an vielen Orten in den USA in Höhenlagen durchgeführt, die von unter dem Meeresspiegel im Death Valley bis über 14.000 Fuß (4.300 Meter) auf dem Gipfel des Pikes Peak reichten“, sagte Kuntzleman dem Wissenschaftsblog Unwahrscheinliche Forschung .
„Wir hatten einen Riesenspaß.“
In der Zwischenzeit engagierte er seinen Kumpel Ryan Johnson, einen Naturwissenschaftslehrer, um seine eigenen Versuche an den Hängen eines Berges in Colorado durchzuführen. (Sie können sehen, wie viel Spaß sie bei Kuntzleman's hatten YouTube-Clip unten.)
Sie fanden heraus, dass der Luftdruck allein ihre Beobachtungen nicht erklären konnte, sodass Raum für die Ableitung feinerer Variablen blieb, die zur Schaumbildung beitragen.
Kuntzleman und Johnson kombinierten Daten aus Schwankungen des Luftdrucks mit Messungen des Massenverlusts durch Entgasung sowie Vergleichen zwischen verschiedenen Süßigkeiten und hatten bald eine ziemlich gute Vorstellung davon, warum Mentos eine erstklassige Wahl für diese Art von Aktivität ist.
Ihre Gleichungen deuten darauf hin, dass diese Keimbildungsstellen einen Durchmesser zwischen 2 und 7 Mikrometern haben, eine Größe, die einen ziemlich guten Kompromiss zwischen Blasengröße und Dichte der Keimbildungsstellen auf der Bonbonoberfläche darstellt.
Ihre Schlussfolgerung stimmt auch relativ gut überein Mikrografische Bilder der Gruben in der Hülle der Süßigkeit, aufbauend auf vorhandenen Modellen, die die berühmte Demonstration erklären.
Zweifellos sind die Ergebnisse eine großartige Nachricht für das Mentos-Marketingteam, das zukünftige Slogans entwickelt. Aber die wahren Gewinner werden Lehrer sein, die nach Daten suchen, die sie für die Ausbildung ihrer angehenden Chemiker und Physiker nutzen können.
Wir können es kaum erwarten, die nächste Generation der Mentos- und Coca-Cola-Wissenschaftsmesse-Poster zu sehen!
Diese Forschung wurde in der veröffentlicht Zeitschrift für chemische Bildung .