大象牙膏實(shí)驗(yàn)配方與泡沫擠噴效應(yīng)探究

摘要： 根據(jù)大象牙膏實(shí)驗(yàn)原理，以30% H2O2溶液、飽和KI溶液和20%洗滌劑為反應(yīng)物料，探究物料組合與產(chǎn)生泡沫的擠噴效應(yīng)。首先，利用量氣管裝置，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定30% H2O2溶液和飽和KI溶液的用量配比。其次，固定此配比，改變物料用量，分別在100mL容量瓶、1000mL容量瓶和1000mL三角燒瓶中進(jìn)行大象牙膏實(shí)驗(yàn)，得出相應(yīng)的泡沫擠噴效應(yīng)較佳的反應(yīng)物料配方。實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性好，該物料配方可供大象牙膏演示或?qū)W生探究實(shí)驗(yàn)時(shí)參考。

關(guān)鍵詞： 大象牙膏實(shí)驗(yàn)； 配方； 泡沫擠噴效應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）06-0083-05 中圖分類號(hào)： G633．8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

大象牙膏實(shí)驗(yàn)是由伊利諾伊州的怪異科學(xué)小組首次實(shí)驗(yàn)［1］，經(jīng)2009年美國(guó)《連線》雜志介紹后被大眾所熟知，由于其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、易于操作、反應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)受到諸多教學(xué)工作者的關(guān)注，深受大眾喜歡。

通過查閱文獻(xiàn)及搜集網(wǎng)絡(luò)相關(guān)視頻發(fā)現(xiàn)，主要集中于實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)的作用以及研究反應(yīng)機(jī)理［2～5］上，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以泡沫從容器瓶口溢出居多，很少有對(duì)泡沫噴出的配方研究。目前一般文獻(xiàn)介紹使用的是50% H2O2溶液，該濃度的H2O2溶液只能購(gòu)買到工業(yè)級(jí)的25L的大包裝，大大增加了購(gòu)買的難度和儲(chǔ)存的風(fēng)險(xiǎn)［6］。

本研究使用相比文獻(xiàn)濃度降低的30% H2O2溶液，在小體量實(shí)驗(yàn)（100mL容量瓶）和大體量實(shí)驗(yàn)（1000mL容量瓶或三角燒瓶）中分別探索H2O2溶液的用量、催化劑、洗滌劑的濃度和用量與泡沫擠噴效應(yīng)，得到適合室內(nèi)和戶外兩種場(chǎng)合下大象牙膏實(shí)驗(yàn)的配方。

1 儀器與試劑

儀器：電子天平（JY502，上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司）、磁力攪拌器（ES35B，北京萊伯泰科儀器股份有限公司）、100mL量氣管、25mL三口燒瓶（24#）、水準(zhǔn)瓶、蝴蝶夾、磨口夾（24#）、乳膠管、1mL一次性注射器、翻口塞（24#）、量筒（10mL， 100mL）、容量瓶（100mL， 1000mL）、三角燒瓶（100mL， 1000mL， 5000mL）、低型燒杯（25mL， 100mL， 250mL）、一次性滴管、藥匙試劑：30% H2O2（AR）、碘化鉀（AR）、洗滌劑（白貓洗潔精）、淀粉（AR）

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

在用KI、 KMnO4或酵母等催化H2O2分解的物系中加入洗滌劑后進(jìn)行的反應(yīng)稱為大象牙膏實(shí)驗(yàn)。在溶液中KI催化H2O2分解的主反應(yīng)為：

查閱文獻(xiàn)［7］可知，KI催化H2O2發(fā)生的反應(yīng)非常復(fù)雜，還包括眾多副反應(yīng)，其中之一為I2的生成。

故KI不僅僅是作為催化劑參與反應(yīng)，而且也充當(dāng)了反應(yīng)物。大象牙膏反應(yīng)一開始，產(chǎn)生大量的O2，洗滌劑中的表面活性物質(zhì)包裹生成的O2以氣泡形式從容器瓶口涌出。為實(shí)現(xiàn)泡沫噴出效果，需要充足的I－提高H2O2的分解速率，并且洗滌劑中的表面活性物質(zhì)須盡可能地包裹住生成的O2。所以這一過程使用的H2O2溶液、催化劑和洗滌劑等的濃度和用量必然有一個(gè)合適的比例和用量，這即為本實(shí)驗(yàn)的探究?jī)?nèi)容。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

首先使用量氣管研究確定一定量的30% H2O2溶液最快生成較多O2時(shí)KI溶液的濃度及用量；接著在100mL容量瓶中保持30% H2O2、 KI溶液及洗滌劑的比例及相應(yīng)濃度不變，探究較為合適的各反應(yīng)物用量；然后在此基礎(chǔ)上調(diào)整洗滌劑的濃度及用量觀察反應(yīng)情況，總結(jié)得出適合在100mL容量瓶中反應(yīng)的各反應(yīng)物濃度和用量的較優(yōu)配方，并將之等比例擴(kuò)大到大體量的實(shí)驗(yàn)中。

2.2.1 利用量氣管法確定30% H2O2和KI溶液的配比

將三口燒瓶置于磁力攪拌器上固定，放入磁子，量氣管固定在鐵架臺(tái)上，二者用抽氣接頭和乳膠管連接，量氣管下端用乳膠管連接水準(zhǔn)瓶，檢測(cè)并保證裝置氣密性良好（如圖1所示）。

保持30% H2O2溶液的用量為0.3mL不變，配制了濃度分別為10%、 20%、 30%、 40%、 50%及飽和KI（約56%）溶液，將不同濃度的KI溶液依次加入盛有0．3mL 30% H2O2溶液的三口燒瓶中，探究最快生成較多O2時(shí)KI溶液的濃度和用量。量氣管初始讀數(shù)為0．00mL，室溫為24.5℃。

2.2.2 確定100mL容量瓶中反應(yīng)液劑量的實(shí)驗(yàn)

量筒、三角燒瓶和容量瓶是目前大象牙膏實(shí)驗(yàn)常見的三種反應(yīng)容器，底部容積較大而頭部較窄的容量瓶和三角燒瓶，比量筒更容易使泡沫噴出形成泡沫柱，所以選用100mL容量瓶（口徑：14mm，瓶高：177mm）作為小體量實(shí)驗(yàn)的容器。

保持體積V（30% H2O2溶液）∶V（飽和KI溶液）=5∶2，使洗滌劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）與飽和KI溶液用量一致，成倍增加物料用量，探究100mL容量瓶中泡沫柱連續(xù)噴出最高時(shí)的反應(yīng)液劑量。具體步驟為：向100mL容量瓶中加入30% H2O2溶液和洗滌劑，搖勻，再加入KI溶液進(jìn)行觀察（后續(xù)實(shí)驗(yàn)步驟均如此）。

2.2.3 確定100mL容量瓶中

洗滌劑濃度和用量的實(shí)驗(yàn)

保持V（30% H2O2）=5mL及V（飽和KI溶液）=2mL，使用濃度分別為5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%的洗滌劑，依次反應(yīng)并觀察現(xiàn)象，得出100mL容量瓶中泡沫柱連續(xù)噴出最高的物料配方。

2.2.4 確定1000mL容量瓶及三角燒瓶中反應(yīng)物料配方的實(shí)驗(yàn)

將100mL容量瓶中反應(yīng)的小體量實(shí)驗(yàn)物料配方用量直接擴(kuò)大10倍，即保持V（30% H2O2）=50mL、V（飽和KI溶液）=20mL及V（20%洗滌劑）=20mL，分別在1000mL容量瓶（口徑：30mm，瓶高：240mm）、1000mL三角燒瓶（口徑：30mm，瓶高：240mm）中反應(yīng)并觀察現(xiàn)象，隨后對(duì)洗滌劑用量進(jìn)行微調(diào)，分別得出二者泡沫柱最高的物料配方。接著將1000mL三角燒瓶中反應(yīng)的較佳物料配方使用在大口徑的1000mL三角燒瓶（口徑：36mm，瓶高：220mm）中查看口徑對(duì)泡沫柱高度的影響。

2.2.5 注意事項(xiàng)

（1） 30% H2O2溶液是強(qiáng)氧化劑，腐蝕性極強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中生成的碘對(duì)粘膜、皮膚有刺激性，因此實(shí)驗(yàn)前必須做好實(shí)驗(yàn)防護(hù)，戴好護(hù)目鏡、手套、口罩，穿好防護(hù)服。

（2） 反應(yīng)在數(shù)秒內(nèi)發(fā)生，因此物料加入后需即刻遠(yuǎn)離。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 利用量氣管裝置確定30% H2O2和KI溶液的配比

根據(jù)2.2.1實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

將30% H2O2溶液和KI溶液加入三口燒瓶后，量氣管液面開始下降，一段時(shí)間后穩(wěn)定在41～43mL。從反應(yīng)a到反應(yīng)f，隨著加入反應(yīng)的KI溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，反應(yīng)開始后量氣管液面從緩慢下降變化至飛速下降，同時(shí)表現(xiàn)為開始后2秒量氣管讀數(shù)也從3mL迅速增加到57mL，這說明隨著參與反應(yīng)的I－濃度增大，實(shí)驗(yàn)開始2秒內(nèi)生成O2的量也增多。表1中可看出使用50% KI溶液實(shí)驗(yàn)開始2秒生成O2的量，已達(dá)到加入等量KI溶液時(shí)的最大量值。但因后續(xù)實(shí)驗(yàn)需加入洗滌劑，一定程度上會(huì)造成反應(yīng)液稀釋，所以接下來均選用飽和KI溶液作為催化劑。

從表1還可看出（反應(yīng)f到反應(yīng)j），使用飽和KI溶液為催化劑，改變催化劑用量，0.12mL飽和KI溶液已使量氣管讀數(shù)達(dá)到較大值，此時(shí)30% H2O2溶液與飽和KI溶液的體積比為0.3∶0.12=5∶2左右。從節(jié)約試劑的角度，選擇該配比作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的先決條件。

3.2 確定100mL容量瓶中反應(yīng)液劑量的實(shí)驗(yàn)

根據(jù)2.2.2實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

將所有試劑加入100mL容量瓶后快速反應(yīng)，瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生的泡沫迅速上升沖出容量瓶口并形成泡沫柱。與此同時(shí)，容量瓶及瓶口一部分泡沫顯黃色，且有刺激性

氣味產(chǎn)生，泡沫遇淀粉溶液顯藍(lán)色，這也驗(yàn)證了反應(yīng)過程中產(chǎn)生了碘單質(zhì)。據(jù)表2看出，總反應(yīng)液增加并不總能提高泡沫柱高度，在100mL容量瓶中使用5mL 30% H2O2溶液和2mL飽和KI溶液形成的泡沫柱最高。

3.3 確定100mL容量瓶中洗滌劑濃度和用量的實(shí)驗(yàn)

根據(jù)2.2.3實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3得出，當(dāng)洗滌劑用量均為2.0mL時(shí)，隨著洗滌劑濃度的增加，泡沫柱的高度先增加后降低，在洗滌劑濃度為20%時(shí)泡沫柱高度達(dá)到峰值。當(dāng)固定洗滌劑濃度為20%時(shí)，改變洗滌劑用量，擠噴效果由不連續(xù)的碎片逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的泡沫柱，洗滌劑用量為2.0mL時(shí)泡沫柱高度最高，達(dá)到90cm以上。繼續(xù)加大洗滌劑用量時(shí)，泡沫柱高度有所降低，可能是由于體系黏性增大，削減了噴射力度導(dǎo)致的。本組實(shí)驗(yàn)說明洗滌劑濃度為20%且用量為2mL時(shí)，達(dá)到了較佳的效果，同時(shí)也可說明洗滌劑的濃度和用量對(duì)實(shí)現(xiàn)泡沫柱的擠噴效應(yīng)影響很大。

綜上所述，以100mL容量瓶為反應(yīng)容器，5mL 30% H2O2溶液、2mL飽和KI溶液作為催化劑、2mL 20%洗滌劑作為起泡劑即為其較佳配方。

3.4 確定1000mL容量瓶及三角燒瓶中反應(yīng)物料配方的實(shí)驗(yàn)

當(dāng)30% H2O2溶液、飽和KI溶液的用量和洗滌劑的濃度保持不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)2.2.4結(jié)果如下。

（1） 1000mL容量瓶實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

據(jù)表4可以看出，將配方用量直接放大10倍，效果不理想，無法得出泡沫連續(xù)的高泡沫柱?？紤]到可能由于泡沫量不足，無法有效包裹產(chǎn)生的O2，于是加大洗滌劑用量又進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)20%洗滌劑用量為40mL時(shí)，得到了超過2.3米的連續(xù)泡沫柱。這說明1000mL容量瓶為反應(yīng)容器，加入50mL 30% H2O2溶液、20mL飽和KI溶液作為催化劑、40mL 20%洗滌劑作為起泡劑即為較佳配方。

（2） 1000mL三角燒瓶實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

據(jù)表5可以看出，和1000mL容量瓶一樣，將較佳配方用量擴(kuò)大10倍直接用于1000mL三角燒瓶時(shí)，仍未得到連續(xù)泡沫柱。但增加洗滌劑的用量為25mL時(shí)，連續(xù)泡沫柱最高可達(dá)約2.3m，達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期，如圖2所示。繼續(xù)增加洗滌劑用量，泡沫柱高度降低，說明50mL 30% H2O2溶液、20mL飽和KI溶液、25mL 20%洗滌劑即為1000mL三角燒瓶中實(shí)驗(yàn)的較佳配方。

另外，針對(duì)口徑不同的三角燒瓶做了對(duì)照試驗(yàn)，使用此配方在口徑為36mm的三角燒瓶中實(shí)驗(yàn)，得到了約1.2m的泡沫柱，遠(yuǎn)低于2.3m。所以若需獲得較高的泡沫柱，應(yīng)盡量選擇口徑較小的三角燒瓶作為容器。在嘗試將此配方擴(kuò)大5倍、以口徑為52mm的5000mL三角燒瓶為反應(yīng)容器時(shí)，得到約3m的連續(xù)泡沫柱。

4 結(jié)語

綜上所述，H2O2溶液、催化劑KI溶液、洗滌劑的濃度和用量均會(huì)影響大象牙膏實(shí)驗(yàn)噴出的泡沫柱高度，實(shí)驗(yàn)容器類型、容積及其口徑等也有十分重要的作用。本文通過在100mL容量瓶中加入一定比例的30%H2O2溶液、飽和KI溶液，并調(diào)節(jié)洗滌劑的濃度和用量的一系列實(shí)驗(yàn)，得出了小體量實(shí)驗(yàn)較佳配方，并將該配方等比例擴(kuò)大并對(duì)洗滌劑用量進(jìn)行微調(diào)后適用于大體量實(shí)驗(yàn)（1000mL和5000mL容器），最終得出了室內(nèi)和戶外兩個(gè)場(chǎng)合大象牙膏實(shí)驗(yàn)?zāi)車姵雠菽膮⒖寂浞健?/p>

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*上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)與科學(xué)技術(shù)學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心運(yùn)行經(jīng)費(fèi)資助（2024A0201-405-07）的研究成果。