چرا منتوس ها با کوکاکولا واکنش نشان می دهند؟

آزمایش Coke-Mentos یکی از محبوب‌ترین آزمایش‌های علمی و همچنین یکی از شناخته‌شده‌ترین آزمایش‌ها است. انجام این کار نسبتاً آسان است زیرا مواد به راحتی در دسترس هستند: با چیزی جز چند منتو و یک بطری کوکاکولا، می‌توانید یک واکنش فوری و انفجاری ایجاد کنید و این را به یک آزمایش بسیار ساده و در عین حال بسیار سرگرم‌کننده (اگر کمی کثیف) تبدیل کنید.

وقتی کوکا را با منتو مخلوط می کنید چه اتفاقی می افتد؟

هنگامی که منتوس با کوکاکولا واکنش نشان می دهد، واکنش زیر انفجاری است و به سرعت فواره ای از کک تحت فشار را تشکیل می دهد که سپس از گلوگاه بیرون زده و به هوا پرتاب می شود. این عینک عمدتاً ناشی از یک واکنش فیزیکی است که به سرعت دی اکسید کربن محلول را از نوشیدنی آزاد می کند.

دی اکسید کربن نیرویی است که مایع را در کسری از ثانیه از بطری خارج می کند. این به این دلیل اتفاق می‌افتد که سطح منتوس دارای هزاران منافذ، قله، گودال‌ها و دهانه‌های میکروسکوپی است. بنابراین چیزی که ما به عنوان یک پوسته بیرونی صاف می‌بینیم فریبکاری محض است.

این بی‌نظمی‌های میکروسکوپی روی سطح منتوس به‌عنوان مکان‌های هسته‌زایی که در آن حباب‌های دی اکسید کربن تشکیل می‌شوند، عمل می‌کنند. هزاران حباب میکروسکوپی دی اکسید کربن در این جیب ها جمع می شوند که سپس شکاف هایی در داخل بطری ایجاد می کنند. این باعث می شود مایع سرریز شود و به بیرون شلیک کند.

سرعت و فشار نیز از عوامل مهم در قابلیت انفجار آبنماهای کک می باشد. تشکیل حباب های دی اکسید کربن مانند یک واکنش زنجیره ای است که به صورت تصاعدی جمع می شود و باعث ایجاد فشار در کسری از ثانیه می شود. گردن باریک بطری نیز فشار و سرعت را تشدید می کند زیرا باعث افزایش سرعت جریان می شود. برای اینکه تمام مایع از دهانه خارج شود، فشار بالادست نیز باید افزایش یابد و جریان کک را به سمت بالا هدایت کند و در نهایت انفجار.

فاکتورهای بسیار دیگری نیز وجود دارند که می توانند در هنگام واکنش منتوس با کوکاکولا بر ارتفاع آبنمای سودا تأثیر بگذارند، مانند ویسکوزیته مایع و وجود سایر مواد شیمیایی در مخلوط. به عنوان مثال، اگر اسید سیتریک به مخلوط نوشابه اضافه شود، ارتفاع فواره در واقع تا شش برابر ارتفاع معمولی آن افزایش می یابد.

نکات کلیدی

منافذ میکروسکوپی و بی نظمی های ساختاری روی پوسته های Mentos به تشکیل حباب کمک می کند.
انتشار سریع دی اکسید کربن از کولا باعث ایجاد کف تحت فشار می شود
انواع مختلف نوشیدنی های گازدار بسته به محتوای دی اکسید کربن و سایر عوامل به منتوس واکنش متفاوتی نشان می دهند.
این آزمایش یک واکنش کربناته معکوس است که اسید کربنیک را به آب و دی اکسید کربن تجزیه می کند.
کوکای رژیمی به دلیل عدم وجود قند با منتوس واکنش بهتری نشان می دهد که باعث می شود لزج کمتری داشته باشد

چرا منتوس ها کوکاکولا را منفجر می کنند؟

این تنها سطوح منتوها نیستند که با کوکاکولا واکنش نشان می دهند. جدا از ساختارهای میکروسکوپی بیرونی پوسته منتوس، چندین ماده شیمیایی وجود دارد که باعث می شود کوکاکولا به این شکل منفجر شود. این مواد شیمیایی در خود پوسته و همچنین در مخلوط سودا یافت می شوند و به تشکیل کف تحت فشار کمک می کنند. در اینجا برخی از مواد شیمیایی تشکیل دهنده پوسته آورده شده است:

شکر: پوسته منتوس دارای اجزای ساکارز و گلوکز است که در محدوده دمایی معمولی جامد هستند.
آسپارتام: این یک شیرین کننده مصنوعی غیر ساکاریدی است که 200 برابر شیرین تر از شکر سفره یا ساکارز (C12H22O11) است. در حالی که از نظر شیمیایی و مولکولی شبیه شکر است، دارای نیتروژن در ترکیب آن است: C14H18N2O5
بنزوات پتاسیم: این ماده نگهدارنده مواد غذایی است که از رشد قارچ ها و باکتری ها جلوگیری می کند. همچنین نمک پتاسیم بنزوئیک اسید است
این مواد به عنوان سورفکتانت عمل می کنند و به تسریع انتشار گاز دی اکسید کربن کمک می کنند. سورفکتانت ها کشش سطحی بین دو مایع، مایع و جامد، یا بین گاز و مایع را کاهش می دهند.

بنابراین، هنگامی که یک منتو در مقداری کوکاکولا ریخته می شود، اسیدیته مخلوط نوشابه به سرعت پوسته آن را حل می کند و مواد شیمیایی آزاد می کند. سپس خاصیت سورفکتانت آن‌ها کشش سطحی کک را کاهش می‌دهد، که مولکول‌های آب را از هم جدا می‌کند و با انجام این کار، به حباب‌های دی اکسید کربن اجازه می‌دهد راحت‌تر تشکیل شوند. با در نظر گرفتن این موضوع، مواد شیمیایی موجود در منتوس با تسهیل آزادسازی سریع گاز CO2 به عنوان عوامل کف کننده نیز عمل می کنند.

منتوها فقط با کوکاکولا واکنش نشان نمی دهند. انواع مختلف نوشیدنی‌های گازدار واکنش‌های متفاوتی با منتوس نشان می‌دهند: آب سلتزر ضعیف‌ترین واکنش را دارد، در حالی که، به طور خاص، گیلاس رژیمی دکتر فلفل قوی‌ترین واکنش را دارد. این در آزمایشی که 15 نوع نوشیدنی گازدار را با منتوس آزمایش کرد، نشان داده شد. هر بطری آزمایش شده دارای ظرفیت دو لیتر بود و یازده منتو به هر بطری معرفی شد. یک بطری دو لیتری حدود 15 گرم دی اکسید کربن محلول دارد که در شرایط مناسب تنها در چند ثانیه به 8 لیتر گاز دی اکسید کربن تبدیل می شود.

نتایج آزمایش در تصویر زیر نشان داده شده است:

انواع املاح موجود در مخلوط نوشابه نیز بر ارتفاع آبنما تاثیر دارد. آزمایشی بر روی آب معدنی، با افزودن انواع مختلف املاح، نتایج زیر را به دست آورد:

• آسپارتام یک فواره تا سه برابر ارتفاع اولیه تولید کرد
• بنزوات نتایج مشابهی با آسپارتام ایجاد کرد
• سیترال یک فواره تا چهار برابر ارتفاع اولیه تولید کرد
• لینالول نتایج مشابهی با سیترال ایجاد کرد
• اسید سیتریک یک فواره را تا شش برابر ارتفاع اولیه تولید کرد

ساختار شیمیایی کوکاکولا چیست؟

کوکاکولا یک ترکیب شیمیایی واحد نیست، بلکه ترکیبی از مواد شیمیایی مختلف است. این مخلوط برای اولین بار توسط یک داروساز آمریکایی، جان اس. پمبرتون، در سال 1886 فرموله شد. اگرچه در ابتدا به عنوان داروی درمان بیماری های رایج به بازار عرضه شد. مواد اولیه کوکاکولا حاوی کوکائین از برگ های کوکا و عصاره های غنی از کافئین از آجیل کولا بود.

ترکیبات امروزی کوکاکولا کلاسیک کمی متفاوت است:

آب گازدار: شاید فکر نکنید، اما حدود 90 درصد کوکاکولا آب است. دی اکسید کربن محلول تنها 0.75 درصد از کل جرم را تشکیل می دهد.
شکر یا شیرین کننده ها: ساکارز ماده ای است که طعم شیرین کوکاکولا کلاسیک را فراهم می کند. با این حال، کک صفر و کک رژیمی حاوی شکر نیستند. در عوض، آنها حاوی شیرین کننده های مصنوعی مانند آسپارتام هستند.
رنگ خوراکی: رنگ کاراملی مشخص کوکاکولا فقط رنگ مصنوعی است. بدون این رنگ خوراکی، نوشیدنی فقط شبیه آب خواهد بود – این راز پشت کوکاکولا کلیر است.
اسید فسفریک: طعم تند و ترشی این نوشیدنی گازدار محبوب در واقع از اسید فسفریک ناشی می شود. اما این ماده شیمیایی تنها به دلیل طعم تند آن استفاده نمی شود. همچنین از رشد باکتری ها و کپک ها جلوگیری می کند.
کافئین: این چیزی است که باعث ایجاد طعم کمی تلخ کولا می شود. با این حال، به اندازه کافئین موجود در قهوه قوی نیست، که حاوی حدود سه تا چهار برابر بیشتر است.
طعم‌های طبیعی: اینها ذات مرموز کوکاکولا هستند. ترکیبات دقیق در اینجا بخشی از فرمول محرمانه اختصاصی محافظت شده شرکت است که تکرار آن بسیار دشوار است.

نقش کربناته شدن در واکنش

کربناته شدن به تشکیل کربنات ها، بی کربنات ها و اسید کربنیک از طریق واکنش دی اکسید کربن با سایر مواد اشاره دارد.

هنگامی که منتوها در یک نوشیدنی گازدار ریخته می شوند، کربناته شدن معکوس سریع اتفاق می افتد.

منتوس به عنوان یک سورفکتانت عمل می کند که کشش سطحی نوشیدنی گازدار را کاهش می دهد. اسید کربنیک، H2CO3، به سرعت به دی اکسید کربن و آب تجزیه می شود.

H2CO3(aq) → H2O(l) + CO2(g)

این به طور طبیعی – حتی بدون منتوس – رخ می دهد زیرا فشار زمانی که قوطی یا بطری نوشیدنی گازدار باز می شود آزاد می شود. افزودن Mentos به سادگی فرآیند را تسریع می کند و آن را به سرعت معکوس فرآیند کربناتاسیون تبدیل می کند.

سایر عوامل موثر بر واکنش

جدای از تجزیه شیمیایی سریع اسید کربنیک، عوامل دیگری نیز وجود دارد که بر واکنش کک با منتوس تأثیر می گذارد. سرعت واکنش هم تحت تأثیر بافت سطحی منتوس و هم از عوامل خارجی مانند دما و فشار محیط است.

بافت سطحی منتوس
با مشاهده آن با چشم غیر مسلح، پوسته منتو ممکن است صاف به نظر برسد. با این حال، در واقعیت، هزاران منافذ میکروسکوپی و ساختارهای نامنظم دارد.

اینها به عنوان نقاط هسته زایی آزادسازی سریع دی اکسید کربن محلول و تجزیه اسید کربنیک در کک عمل می کنند. هنگامی که یک منتو با کوکاکولا ملاقات می کند، انتشار سریع دی اکسید کربن بارها توسط نقاط هسته ای تقویت می شود تا فشار ایجاد شود که منجر به واکنش “انفجاری” می شود.

دما و فشار
دما و فشار هر دو می توانند بر سرعت واکنش منتوس با کوکاکولا تأثیر بگذارند، اما به روش های مخالف.

دما با سرعت واکنش نسبت مستقیم دارد. دمای محیط بالاتر می تواند آزاد شدن گاز محلول را تسریع کند.

در همین حال، فشار با سرعت واکنش نسبت معکوس دارد.

این ممکن است غیر منطقی به نظر برسد، زیرا زمانی که یک قوطی یا بطری کوکاکولا را باز می کنید، کف تشکیل می شود، به خصوص وقتی قبل از باز کردن تکان دهید. با این حال، زمانی که بطری هنوز باز نشده است، فضای داخلی همچنان تحت فشار است. باز کردن سریع آن فشار را یکسان می کند.

چرا کوکاکولای رژیمی و کک صفر واکنش بهتری با منتو دارند؟

کک رژیمی و کوکا صفر به دلیل عدم وجود شکر با منتوس بهتر از کوکای معمولی واکنش نشان می دهند. کمبود شکر باعث می‌شود مخلوط نوشابه چسبناک‌تر شود، با توجه به وجود شیرین‌کننده‌هایی مانند آسپارتام که کشش سطحی را حتی بیش از حد معمول کاهش می‌دهد. این به نوبه خود به این معنی است که گاز دی اکسید کربن با سرعت بیشتری آزاد می شود. فرآیند هسته‌زایی نیز سریع‌تر است که منجر به فشار گاز بیشتر می‌شود.

فقط با نگاه کردن به آزمایشی که قبلاً نشان دادیم، می‌توانیم ببینیم که چه واکنش بهتری با منتوس نشان می‌دهند: هر دوی این نوشابه‌های بدون قند فواره‌هایی تولید کردند که بیش از 2.5 متر بود، در حالی که فواره تولید شده توسط کوکای معمولی به سختی به 1.5 متر رسید. بنابراین، به طور خلاصه (یا به‌طور دقیق‌تر، پوسته منتوس)، مخلوط‌های نوشابه با قند بیشتری در آن‌ها چسبناک‌تر هستند و واکنش‌های آن‌ها را ضعیف‌تر می‌کند.

انجام آزمایش علمی Coke-Mentos مطمئناً سرگرم کننده است – اما کثیف کاری دارد،  بنابراین توصیه می کنیم آن را در بیرون یا در فضایی که به راحتی تمیز می شود، مانند حمام انجام دهید! اگر هنوز در فکر امتحان آن هستید، ممکن است بدانید که این آزمایش بینش‌های اساسی در مورد خواص شیمیایی و فیزیکی واکنش‌ دهنده‌ها ارائه می‌دهد، بنابراین این یک آزمایش آموزشی نیز هست!

نتیجه

عوامل مختلفی بر واکنش منتوس با کوکاکولا تأثیر می گذارد. عامل اصلی وجود هزاران منافذ میکروسکوپی و ساختارهای نامنظم در سطح شیرینی منتوس است. اینها به عنوان نقاط هسته ای عمل می کنند که واکنش را تقویت می کنند. این واکنش همچنین یک کربناسیون معکوس است که در آن اسید کربنیک به سرعت به آب و دی اکسید کربن تجزیه می شود. هم فشار و هم دما بر سرعت واکنش تأثیر دارند.