可乐为什么会爆炸?

最近网上流传一部电影,将曼陀珠同时放入可乐瓶中十余个瞬间,会造成大量可乐喷出,高度可超过一米,十分壮观。这部电影引起了网友和学生的兴趣,也引起了曼陀珠人的恐慌。他们担心,如果在吃曼陀珠时不经意地同时喝下可乐,两者可能会在胃中发生反应,产生喷泉效应,损害身体健康。

网上还流传一种解释是曼陀林珠使可乐产生喷泉效应,说明之所以会有大量的可乐喷出瓶口,是因为曼陀林珠中含有阿拉伯树胶,会降低可乐中水的表面张力,破坏二氧化碳与水分子之间的作用力,使溶解在可乐中的二氧化碳会在瞬间大量释放出来, 导致可乐瓶内气体压力突然升高,将可乐推出瓶口,产生喷泉效应。 几颗曼陀林珠子同时放入可乐瓶,真的会让可乐瞬间产生大量气体,导致可乐喷出瓶外。

但这种喷泉效应并不主要是因为曼陀林珠中阿拉伯胶的存在,降低了可乐饮料的表面张力。可乐或苏打水的制备和生产是基于亨利定律的原理。制备时,将二氧化碳溶解在饮用水中,然后加入糖类物质和不同口味的调味料并混合。根据亨利定律,在恒定温度下,溶解在水中的气体量与气体在水面上的分压成正比。因此,在制备苏打水时,通常会在水中引入几个大气压的二氧化碳,这样就可以将大量的二氧化碳气体溶解到水中。罐装汽水表面约有2 ~ 3个大气压的二氧化碳。曼妥思最初是荷兰的一种糖果,在1950年代开始销售,目前由Perfetti Van Melle生产。曼陀珠的主要成分包括蔗糖、葡萄糖、糊精、凝胶、玉米粉、天然风味添加剂和阿拉伯胶。其中,阿拉伯树胶是阿拉伯酸及其钙、镁、钾盐的复杂混合物。阿拉伯树胶的存在是使曼陀林珠柔软和粘性的主要成分。在同类糖果产品中,阿拉伯胶的含量可能高达45%。阿拉伯树胶主要来源于生长在南亚和北非的阿拉比卡植物,它本身就是一种表面活性剂。

事实上,当煤灰在4500年前被制成墨水时,人们就知道通过在墨水中加入阿拉伯树胶,煤灰颗粒可以在短时间内悬浮在水中而不结块,并沉积在墨水瓶的底部。公元前1947 ~ 1956年期间,在巴勒斯坦死海附近的库姆兰丘陵发现了约公元前300年至公元前50年制作的圣经卷轴。深入研究发现,当时书写古卷所用的墨水是加入了阿拉伯树胶,这样朱砂(由硫化汞HgS组成)颗粒就可以长时间悬浮在水中,便于几百年前这些僧侣手工抄写古卷。

顺便提一下,死海古卷的发现已经停止了。长期以来,人们对《旧约》经文的怀疑,可能是后人根据历史事实捏造出来的。这些怀疑是由旧约经文中的许多预言引起的,而这些预言实际上发生在后世的历史中。《死海古卷》的发现将现有的《圣经》手稿提前了一千年左右,证明了《旧约》经书并非后人杜撰。

阿拉伯树胶是一种表面活性剂,可以帮助化学性质(极性)差异很大的煤灰与水溶解,因此可能有助于非极性二氧化碳在极性水中溶解。所以,用阿拉伯胶降低水的表面张力,使已经逐渐消失的二氧化碳从可乐或苏打水中释放出来,并不能完全解释十几颗曼陀林珠加可乐会喷出瓶身的现象。

如前所述,阿拉伯树胶含有钙、镁和钾的阿拉伯酸盐,呈弱碱性。因为二氧化碳溶解在可乐饮料中,在水中生成碳酸,所以可乐具有弱酸性。其实实验发现,可口可乐的pH值在2.5左右,黑松根啤酒的pH值在3.0左右,雪碧的pH值在3.5左右。当碱性的阿拉伯酸盐溶解到酸性的可乐或汽水饮料中,理论上两者会发生酸碱中和反应,释放热量,使水温升高。常规来说,如果一罐可乐瓶中的压力在4℃时为1.2个大气压,那么在20℃时瓶内压力约为2.5个大气压。所以,如果加了曼陀林珠的可乐由于酸碱中和反应,水温升高,瓶内气体的压力也会相应升高。

为了使上述酸碱中和反应发生,必须先将足够的阿拉伯胶溶于水,但实际上阿拉伯胶并不容易溶于水。阿拉伯胶在干燥前可溶于水,但干燥后会变成柔软的胶状物体,不能逐渐隐藏在冷水或热水中。如果放在含有稀硫酸的水中,阿拉伯树胶混合物中的多糖分子会逐渐分解成蔗糖,使阿拉伯树胶在稀硫酸溶液中逐渐分解消失。阿拉伯胶不易溶于水的事实,不仅使得上述酸碱中和反应不能有效地在曼陀珠放入瓶中的瞬间造成大量可乐喷出瓶外,而且也不太可能在放入曼陀珠的瞬间造成可乐中的水分喷出,如网上流传的解释。

其实放置曼陀林珠时可乐喷出瓶口的现象还是和亨利定律有关的。可乐瓶打开后,可乐液面上的二氧化碳分压会从2 ~ 3个大气压左右突然下降到大气中的二氧化碳分压(0.00033个大气压)。根据亨利定律,在一个恒定的温度下,碳酸饮料中可以溶解的气体量与这种气体的分压成正比。因此,开瓶后,可乐溶液中二氧化碳的溶解量会大大减少,即开瓶后的可乐溶液会处于二氧化碳过饱和状态,溶液本身也极不稳定。原本在装罐过程中溶解在可乐饮料中的二氧化碳,在开瓶后会逐渐溶出并从瓶口逸出,这样可乐在开瓶几个小时后就会完全失去美味,变成一瓶普通的糖水。在有干扰源的情况下,处于不稳定状态的过饱和可乐溶液会更容易回到稳定的平衡状态。摇可乐瓶的操作对打开的可乐饮料是一种干扰源,所以摇可乐瓶的时候可以看到很多气泡从可乐瓶口冒出来。可乐瓶中放置曼陀林珠的操作也是一个干扰源,会促使开瓶后过饱和的二氧化碳溶液(可乐)恢复到更稳定的状态,释放出二氧化碳。但仅将常规固体颗粒放入可乐瓶中并不是有效的干扰源,这一点可以从将玻璃珠放入可乐瓶中的实验中得知。这个实验产生的气泡量相当小,远远小于把沸石放进可乐瓶中产生的气泡量。

如前所述,曼陀珠中含有玉米粉、糖粒等细小颗粒成分,导致曼陀珠颗粒表面在微观世界中极其粗糙。粗糙的固体表面的存在往往有助于加速反应,就像建筑工地的钢筋在弯曲处最容易生锈,主要是因为弯曲处的结构破坏严重,使其表面粗糙。粗糙的固体表面是开启后含有过饱和二氧化碳的可乐饮料的绝佳干扰源。饮料中溶解的过量二氧化碳会迅速溶解在含有细小颗粒的曼陀林珠表面,产生二氧化碳气体。

另外,将曼陀林珠放入可乐瓶中,曼陀林珠表面的玉米粉、糖粒等微小颗粒也会离开曼陀林珠,进入可乐溶液中。这些微小颗粒的表面在微观世界中也是粗糙的,因此可以加速二氧化碳气体的溶解。因此,在放置曼陀林珠时,可乐瓶内会在短时间内产生大量二氧化碳,导致瓶口出现喷泉现象。

粗糙的固体表面会加速过饱和二氧化碳的溶解,这一事实可以通过将沸石放入可乐瓶中的实验得到证实。沸石是一种不含阿拉伯树胶的多孔颗粒。放在可乐瓶里会产生类似曼陀林珠放在可乐瓶里的喷泉现象。所以微观世界中粗糙的固体表面应该是开可乐喷泉效应的主要原因,与曼陀林珠或阿拉伯树胶无关。曼陀林珠在口中咀嚼后会进入胃中,其成分中的颗粒会被包裹一层食液,从而降低颗粒粗糙表面的反应能力。此外,当可乐饮料进入口腔和食道时,不仅可乐的温度因体温而升高,口腔和食道内壁的体液、食道的鳞状上皮细胞、结缔组织和粘膜肌层,以及口腔的吞咽和食道的蠕动,都是二氧化碳饮料过饱和状态的干扰源,使二氧化碳逐渐从饮料中释放出来,发生打嗝。

所以当可乐进入胃里与曼陀珠相互作用时,产生的二氧化碳气体量会远远小于影片中表现的喷泉效应,应该不会冲走头部。当然,那些习惯狂饮大量可乐,立即吞下许多曼陀林珠的人也要洗头。