起泡液的配制與吹泡器的制作

龍琪

摘要： ?通過原理分析，推導(dǎo)出起泡液配制和吹泡器制作的通用方法。根據(jù)該原理和方法，以洗護用品和食品為原料配制起泡液，選用塑料滴管和飲料吸管組裝吹泡器。用此吹泡器蘸取起泡液，能夠吹出大如足球的彩色氣泡。該實驗可作為STEM教育、項目化學(xué)習(xí)、化學(xué)探究式教學(xué)、科普宣傳活動的素材。

關(guān)鍵詞： ?肥皂泡; 表面活性劑; 起泡液; 吹泡器; 實驗探究

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0066 04

中圖分類號： ?G633.8

文獻標(biāo)識碼： ?B

自二十世紀(jì)八十年代以來，對起泡液配制和吹泡器制作的研究一直持續(xù)不斷。文獻報道的起泡液的配制原料主要有肥皂、蒸餾水、洗衣粉、洗滌劑、甘油、糖漿、洗潔精、洗手液、膠水、白糖、氨水等。改進后的吹泡器主要有干燥管、漏斗形裝置、花瓣形喇叭口裝置等。如此多的改進方案背后是否有規(guī)律性的本質(zhì)？本研究對此問題展開探討。

查閱文獻發(fā)現(xiàn)，關(guān)于起泡液和吹泡器設(shè)計原理的系統(tǒng)研究尚不多見，只有極少數(shù)文獻簡單地描述了起泡液中每種原料的作用以及吹泡器形狀的功能。由于缺乏機理層面的分析，在一些起泡液的配制方法中，就需要限定原料的用量、種類和品牌。已有研究對吹泡器的改進方向主要是形狀的變化，很少有研究考慮到吹泡器的材質(zhì)要求。本研究采取理性主義的研究范式對起泡液配制和吹泡器制作展開研究，即從基本原理出發(fā)，首先分析肥皂泡吹不大的根本原因， 然后提出研究假設(shè)，再驗證假設(shè)，最后得出研究結(jié)論。理性主義的研究范式從深層次的原理和機理出發(fā)，往往能揭示內(nèi)在規(guī)律，因此研究結(jié)論具有普適性、通用性和推廣性。

根據(jù)基本原理，本研究的具體問題是如何采用生活中方便易得的原料器材設(shè)計起泡液和吹泡器，用此起泡液和吹泡器能吹出大如足球甚至大如籃球的彩色氣泡。該項研究不僅涉及化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科知識，而且研究成果是具體的產(chǎn)品實物，因此，它是一個來源于生活又高于生活的跨學(xué)科綜合性問題，可作為STEM教育、項目化學(xué)習(xí)的教學(xué)素材，也可應(yīng)用于化學(xué)探究式教學(xué)和科普宣傳活動。

1 實驗設(shè)計目標(biāo)

氣泡吹不大的情況通常有三種： （1）氣泡破裂;（2）氣泡被吹飛;（3）氣泡過早掉落。本實驗的設(shè)計目標(biāo)是防止氣泡的破裂、被吹飛和掉落。

1.1 防止氣泡破裂

氣泡的破裂一般先從頂部開始。氣泡的液膜具有三層結(jié)構(gòu)，外層和內(nèi)層都是表面活性劑分子層，中間是水層[1]。水的自身重力以及內(nèi)外兩層表面活性劑分子對水產(chǎn)生擠壓排液現(xiàn)象，水分子從氣泡上端不斷往下移動，在下端產(chǎn)生聚集現(xiàn)象。氣泡上端逐漸變薄，承壓能力變小，達到極限后氣泡就會自發(fā)破裂[2]。因此，配制起泡液不僅需要加入能起泡的表面活性劑和水，而且還要加入能夠鎖住水分子以阻礙水分子自由移動的物質(zhì)。

在氣泡變大的過程中，液膜不斷被拉伸，表面活性劑的濃度減小，表面張力隨之增加，在表面張力梯度的作用下形成馬拉高尼流，使液體沿最佳路線流回到被拉伸之處，從而對變薄的液面進行修復(fù)，維持氣泡的穩(wěn)固[3]。這種效應(yīng)叫做馬拉高尼效應(yīng)。在自動修復(fù)過程中，聚集在底部的水回流到頂部需要時間，氣泡越大，回流時間越長。因此，吹泡時應(yīng)使氣泡慢慢變大，讓聚集在氣泡底部的液體有足夠時間回流到頂部，加固和修復(fù)變薄的頂部液膜。

1.2 防止氣泡被吹飛

由生活經(jīng)驗可知，吹肥皂泡時，用力吹氣往往會吹出一連串小泡泡，說明氣泡在變大之前容易被氣流帶走，被吹飛。因此，吹泡時要緩慢用氣，減緩吹氣氣流。雖然屏住呼吸緩慢用氣可以減緩氣流，但這種方式難以量化，不易控制。吹泡器的功能應(yīng)能夠?qū)θ梭w正常吹出的氣流進行減速。即使非常用力地吹氣，也不會將氣泡吹飛。

1.3 防止氣泡掉落

用普通飲料吸管吹泡時，形成的氣泡容易在吸管壁上滑動并掉落。因此，吹泡器的材質(zhì)要求是能夠有效吸附起泡液，使氣泡能夠“粘”在吹泡器上不掉落，被慢慢吹大。

2 起泡液的配制

2.1 研究假設(shè)

由氣泡液膜的結(jié)構(gòu)可知，起泡液的配方中要有表面活性劑和水。生活中的洗護用品一般都含有表面活性劑，比如洗滌劑、洗手液、洗發(fā)水、沐浴露、洗衣液等，這些常見的洗護用品都可以用來配制起泡液。

為了有效鎖住水分子，還應(yīng)加入含有羥基的物質(zhì)，使其與水分子形成氫鍵。同時，羥基還與表面活性劑分子的極性基團相互作用，產(chǎn)生較強的分子間作用力。加入含有羥基的物質(zhì)相當(dāng)于在水分子與表面活性劑分子之間“上了把鎖”，將水分子“鎖在”定向排列的表面活性劑分子上，使水分子的自由移動受到限制，從而加固氣泡液膜的韌性和強度。物理化學(xué)原理認(rèn)為，如果液體有適當(dāng)黏度，膜內(nèi)的液體就不易流動，從而增加泡沫的穩(wěn)定性[4]。蜂蜜、護手甘油的結(jié)構(gòu)中不僅含有羥基，而且黏性較大，方便易得，是加固氣泡液膜的首選原料。此外，生活中的果味茶飲品也是加固液膜的理想原料。以綠茶果味茶飲品為例，其成分中含有的茶多酚、糖類物質(zhì)、維生素C、檸檬酸等物質(zhì)都含有羥基官能團，能夠有效鎖住水分子。

在日光照射下，肥皂泡能呈現(xiàn)非常美麗的彩虹顏色，這是光波的干涉現(xiàn)象。 起泡液中加入紫甘藍汁，可改變起泡液的顏色，這種顏色與彩虹顏色疊加，使氣泡更加絢麗多彩。果味茶飲品中的有機酸可使紫甘藍汁顯紅色，加入食用純堿可使紫甘藍汁顯藍色或綠色。

2.2 驗證假設(shè)

[實驗1]按照20%洗滌劑、60%水、20%甘油的比例配制起泡液1[5]。將洗滌劑換成洗手液，按照20%洗手液、60%水、20%甘油的比例配制起泡液2。在起泡液2中加入綠茶果味茶飲品和液態(tài)蜂蜜，按照20%洗手液、30%綠茶果味茶飲品、30%液態(tài)蜂蜜和20%護手甘油的比例配制起泡液3。用吸管分別蘸取三種起泡液緩慢用氣吹泡，發(fā)現(xiàn)用起泡液1和起泡液2吹出來的氣泡容易破裂，而用起泡液3吹出來的氣泡則較為牢固，說明綠茶果味茶飲品、液態(tài)蜂蜜這類含有羥基的物質(zhì)可以使氣泡液膜更加牢固。

[實驗2] 向含有綠茶果味茶飲品的起泡液中加入紫甘藍汁，起泡液變?yōu)榧t色。向紅色的起泡液中逐漸加入食用純堿溶液，起泡液的顏色依次變?yōu)樽仙?、藍色和綠色。用吸管分別蘸取這四種顏色的起泡液吹泡，發(fā)現(xiàn)每種起泡液的顏色都出現(xiàn)在氣泡中，氣泡邊緣分別泛起紅暈、紫暈、藍暈和綠暈。正如冰心在散文《肥皂泡》中所描述的現(xiàn)象：“五色的浮光在那輕清透明的球面上亂轉(zhuǎn)”“顫巍巍的光影凌亂”，非常美麗。

2.3 結(jié)果與討論

起泡液的配制原料應(yīng)包含兩類物質(zhì)。一類是發(fā)揮起泡作用形成氣泡液膜的洗護用品和水，另一類是加固氣泡液膜強度，能與水分子形成氫鍵的物質(zhì)。第一類物質(zhì)在生活中隨處可見，比如洗手液、洗潔精、洗衣液、沐浴露、洗發(fā)水等。第二類物質(zhì)也很常見，比如液態(tài)蜂蜜、果味茶飲品、護手甘油等。日常生活中自行配制肥皂水時，第二類物質(zhì)容易被忽略，導(dǎo)致肥皂水因缺少加固液膜的成分而易破裂，難以吹出大氣泡。起泡液配制原料中的主要成分都是表面活性劑。表面活性劑可以降低水的表面張力，增加體系穩(wěn)定性。起泡液中加入紫甘藍汁，可使吹出的氣泡在彩虹顏色基礎(chǔ)上更加色彩斑斕。紫甘藍汁中的花青素含有多個羥基，還可以加固氣泡液膜的強度。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，得出下文所用起泡液的配方為： 將洗手液、綠茶果味茶飲品、液態(tài)蜂蜜和護手甘油按照等體積混合，充分?jǐn)嚢?，使其均勻。實驗證明，該配方的起泡液性質(zhì)穩(wěn)定，保存三個月以上仍不變質(zhì)。加入少量紫甘藍汁，起泡液顯紅色。向紅色起泡液中逐滴加入飽和食用純堿溶液，起泡液的顏色依次變?yōu)樽仙?、藍色和綠色。紫甘藍汁容易變質(zhì)，為了長期保存起泡液，在配制起泡液時可先不加紫甘藍汁，僅在需要吹泡時再加入。

以上配制方法并非唯一，洗手液可替換為生活中含有表面活性劑的其他洗護用品，綠茶果味茶飲品可替換成紅茶、烏龍茶等含有茶多酚的果味茶飲品等。表面活性劑在低濃度時能夠快速降低水的表面張力，隨著表面活性劑濃度逐漸增大，表面張力下降的趨勢是先快后慢，直至平衡。因此，起泡液原料的配制比例對于起泡效果的影響不大，等體積混合液體在實驗操作中最為方便，因此將配制起泡液3的原料比例調(diào)整為1∶1∶1∶1。

3 吹泡器的制作

3.1 研究假設(shè)

吹泡器要能夠減緩吹出的氣流流速，同時有效吸附起泡液，因此從形狀和材質(zhì)兩方面進行設(shè)計。（1）吹泡器的形狀要求： 氣體在擴散過程中，隨著容器體積變大，氣體流速會減慢。吹泡器的形狀應(yīng)是進氣口小，出氣口大的喇叭形。塑料滴管是一種方便易得的實驗器材，它由尖嘴、管身和吸囊組成。從尖嘴到管身再到吸囊，管徑越來越大。將吸囊頂部剪去后作為吸管，符合進氣口小出氣口大的形狀要求。在尖嘴處套一小段飲料吸管可使人體吹出的氣流經(jīng)過反套的滴管尖嘴而減速。減速后的氣流進入管身和吸囊。管身和吸囊管徑迅速變大，使氣流不斷得到緩沖。套在尖嘴處的一小段吸管除了能夠減緩氣流以外，它還干凈衛(wèi)生，更換后可讓吹泡器重復(fù)使用。（2）吹泡器的材質(zhì)要求： 由公式lgd=lg V ?3 36π ?- 2 3 lgV0可知[6]，在氣泡液膜厚度d不變的情況下，吹泡所用的體積V越多，吹出的氣泡體積V0就越大。因此，吹泡時多蘸取起泡液有利于吹出大氣泡。故吹泡器應(yīng)能夠有效吸附起泡液。

3.2 驗證假設(shè)

[實驗3]取剪掉一半吸囊的塑料滴管1根，普通粗飲料吸管1根、空紙杯1個，精確到0.1g的電子天平1臺、起泡液1份。先將粗吸管和空紙杯放在電子天平上，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后摁下清零鍵。用粗吸管在起泡液中蘸一下，取出懸空靜置，待不再有液體滴落時，將粗吸管放回空紙杯讀數(shù)，數(shù)據(jù)仍然為0.0g。再用一次性塑料滴管重復(fù)以上操作并讀數(shù)，數(shù)據(jù)為0.2g。

實驗3說明，與普通飲料吸管相比，塑料滴管對起泡液的吸附能力更強。這一性質(zhì)可使吹泡器蘸取較多起泡液，為氣泡慢慢脹大持續(xù)補充起泡液，減小了因頂部變薄而破裂的可能性。同時，用塑料滴管吹出來的氣泡被牢牢吸附在吸囊壁上，增加了氣泡頂部的受力面積，可防止氣泡因重力原因而過早掉落。

[實驗4]取1根5mL塑料滴管（吸囊直徑約25mm）和1根細的飲料吸管（管徑略大于塑料滴管的尖嘴直徑）。將塑料滴管的吸囊剪去一半，在另一頭的尖嘴端套上一小段（約5cm）飲料吸管，組裝成如圖1所示的吹泡器。用此吹泡器蘸取起泡液吹泡，吹出的氣泡大如足球，有的氣泡甚至比籃球還大。用加入紫甘藍汁的起泡液吹泡，氣泡邊緣呈現(xiàn)起泡液的顏色。

3.3 結(jié)果與討論

吹泡器的形狀應(yīng)滿足進氣口小、出氣口大的要求，這樣能夠減緩吹氣氣流。吹泡器的材質(zhì)應(yīng)能夠有效吸附起泡液。實驗室里常用的塑料滴管能夠滿足以上要求。制作方法是將塑料滴管的吸囊剪去一半作為出氣口，在另一側(cè)的尖嘴端插入一小段飲料吸管作為進氣口的吹嘴。更換吹嘴后可重復(fù)使用吹泡器。

需要說明的是，除了起泡液和吹泡器以外，天氣條件也會影響氣泡大小。由公式m=ρV+ 6πηRv g 可知[7]，當(dāng)其他變量相同時，空氣黏度η越小，氣泡的體積V越大。寒冷干燥氣壓低的天氣里，空氣黏度小，有利于吹出大氣泡。采用本文所述起泡液和吹泡器，在一般條件下能吹出大如足球的氣泡，在寒冷干燥的冬天，則可吹出大如籃球的氣泡。

4 小結(jié)與展望

綜上，本課題有三個創(chuàng)新點： 一是分析了氣泡吹不大的原因，推導(dǎo)出起泡液配制和吹泡器制作的基本原理和通用方法;二是設(shè)計了一種起泡液和吹泡器的制作方案，用此吹泡器蘸取起泡液，可以吹出大如足球甚至大如籃球的彩色氣泡;三是提出了與起泡液配制和吹泡器制作有關(guān)的系列探究實驗，實驗原料全是生活中的常見物品，方便易得，實驗操作安全簡便，實驗內(nèi)容兼具知識性、探究性與趣味性，可用于STEM教育、項目化學(xué)習(xí)、化學(xué)教學(xué)和科普教育活動等。

參考文獻：

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