Cola-Mentos-Fontäne
Eine Eruption von Cola Light und Mentos (auch als Soda-Geysir bekannt) ist eine Reaktion zwischen dem kohlensäurehaltigen Getränk Cola Light und Mentos-Bonbons, die dazu führt, dass das Getränk aus seinem Behälter herausgeschleudert wird. Die Bonbons katalysieren die Freisetzung von Gas aus dem Getränk, wodurch eine Eruption entsteht, die den größten Teil der Flüssigkeit nach oben und aus der Flasche drückt. Lee Marek und "Marek's Kid Scientists" waren die ersten, die das Experiment 1999 in der Late Show mit David Letterman öffentlich vorführten. Steve Spanglers im Fernsehen übertragene Demonstration des Ausbruchs im Jahr 2005 wurde auf YouTube populär und löste eine Kette weiterer viraler Videos mit Diet Coke und Mentos aus. Experimente, die in Höhenlagen von unter dem Meeresspiegel im Death Valley bis zum Gipfel des Pikes Peak durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Reaktion in höheren Lagen besser funktioniert. ⓘ
Geschichte
In den 1910er Jahren wurden Wint-O-Green Life Savers verwendet, um Limonaden-Geysire zu erzeugen. Die Bonbonröhrchen wurden auf einen Pfeifenreiniger aufgefädelt und in das Erfrischungsgetränk fallen gelassen, um einen Geysir zu erzeugen. Ende der 1990er Jahre vergrößerte der Hersteller von Wintergreen Lifesavers die Größe der Minzbonbons, so dass sie nicht mehr in die Öffnung von Limonadenflaschen passten. Wissenschaftslehrer fanden heraus, dass Mentos-Bonbons den gleichen Effekt haben, wenn sie in eine Flasche mit einem beliebigen kohlensäurehaltigen Erfrischungsgetränk fallen. ⓘ
Lee Marek und "Marek's Kid Scientists" führten das Experiment mit Cola Light und Mentos 1999 in der Late Show mit David Letterman vor. Im März 2002 führte Steve Spangler, ein Wissenschaftspädagoge, die Demonstration auf KUSA-TV, einer NBC-Filiale, in Denver, Colorado, durch. Das Experiment mit dem Geysir aus Cola und Mentos wurde im September 2005 zu einer Internet-Sensation. Im Jahr 2006 wurde das Experiment zum Thema der Fernsehsendung MythBusters. Spangler unterzeichnete einen Lizenzvertrag mit Perfetti Van Melle, dem Hersteller von Mentos, nachdem er einen Apparat erfunden hatte, der es einfacher machen sollte, die Mentos in die Flasche fallen zu lassen und einen großen Limonadengeysir zu erzeugen. Amazing Toys, Spanglers Spielzeugfirma, brachte das Geyser Tube Spielzeug im Februar 2007 heraus. Im Oktober 2010 wurde bei einer von Perfetti Van Melle organisierten Veranstaltung im SM Mall of Asia Complex in Manila, Philippinen, ein Guinness-Weltrekord von 2.865 gleichzeitigen Geysiren aufgestellt. Dieser Rekord wurde im November 2014 bei einer anderen von Perfetti Van Melle und Chupa Chups organisierten Veranstaltung in León, Guanajuato, Mexiko, gebrochen, bei der 4.334 Mentos- und Sodabrunnen gleichzeitig gezündet wurden. ⓘ
Ursache
Die Eruption wird durch eine physikalische Reaktion und nicht durch eine chemische Reaktion verursacht. Die Zugabe von Mentos führt zu einer schnellen Keimbildung von Kohlendioxid-Gasblasen, die aus der Lösung ausfallen: ⓘ
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Durch die Umwandlung des gelösten Kohlendioxids in gasförmiges Kohlendioxid bilden sich in der Limonade schnell expandierende Gasblasen, die den Getränkeinhalt aus dem Behälter herausdrücken. Experimentelle Messungen lassen vermuten, dass bei diesem Versuch bis zu 14 Millionen Blasen pro Liter Limonade entstehen. ⓘ
Gase sind im Allgemeinen bei hohem Druck besser in Flüssigkeiten löslich. Kohlensäurehaltige Limonaden enthalten einen hohen Anteil an Kohlendioxid unter Druck. Die Lösung wird mit Kohlendioxid übersättigt, wenn die Flasche geöffnet wird und der Druck abgelassen wird. Unter diesen Bedingungen beginnt das Kohlendioxid aus der Lösung auszufallen und bildet Gasblasen. ⓘ
Die Aktivierungsenergie für die Blasenkernbildung (Bildung von Blasen) hängt davon ab, wo sich die Blase bildet. Sie ist sehr hoch für Blasen, die sich in der Flüssigkeit selbst bilden (homogene Keimbildung), und viel niedriger, wenn das Blasenwachstum innerhalb winziger Blasen stattfindet, die in einer anderen Oberfläche eingeschlossen sind (heterogene Keimbildung). Die Keimbildung und das Wachstum von Blasen in kohlensäurehaltigen Getränken erfolgt fast immer durch heterogene Keimbildung: Diffusion von Kohlendioxid in bereits vorhandene Blasen im Getränk. Wenn gelöstes Gas in Blasen diffundiert, die bereits in einer Flüssigkeit vorhanden sind, spricht man von Blasenkernbildung des Typs IV. Wenn beim Öffnen einer Limonadenflasche der Druck abgelassen wird, kann gelöstes Kohlendioxid in jede winzige Blase entweichen, die sich im Getränk befindet. Diese vorgefertigten Bläschen (die Keimbildungsstellen sind) befinden sich beispielsweise in winzigen Fasern oder nicht benetzbaren Spalten an den Seiten der Flasche. Da es in der Regel nur sehr wenige solcher bereits vorhandener Blasen gibt, verläuft der Entgasungsprozess langsam. Mentos-Bonbons enthalten Millionen von Hohlräumen mit einer Größe von etwa 1-3 μm, die bei Zugabe zu einer Limonade unbenetzt bleiben. Aus diesem Grund bietet die Zugabe von Mentos-Bonbons zu einem kohlensäurehaltigen Getränk eine enorme Anzahl bereits vorhandener Blasen, in die das gelöste Kohlendioxid entweichen kann. Durch die Zugabe von Mentos-Bonbons zu einem kohlensäurehaltigen Getränk werden also Millionen von Keimbildungsstellen in das Getränk eingebracht, die eine Entgasung ermöglichen, die schnell genug ist, um einen Schaumstrahl aus der Flasche zu erzeugen. Obwohl ein Mentos-Bonbon Millionen von Hohlräumen enthält, ist es wahrscheinlich, dass nur etwa 100.000 Hohlräume auf einem einzigen Mentos-Bonbon, das in ein kohlensäurehaltiges Getränk gegeben wird, aktiv Blasen bilden. ⓘ
Vorhandene Blasen ermöglichen die Reaktion, ohne dass sich in der Flüssigkeit selbst Blasen bilden müssen (homogene Keimbildung). Da Keimbildungsstellen des Typs IV (wie sie auf Mentos zu finden sind) es ermöglichen, dass die Reaktion mit einer wesentlich geringeren Aktivierungsenergie abläuft, können Mentos-Bonbons zu Recht als Katalysator des Prozesses angesehen werden. Ein weiteres Beispiel ist das Einbringen von Salz- oder Sandkörnern in die Lösung, wodurch Keimbildungsstellen des Typs IV geschaffen werden, die Aktivierungsenergie im Vergleich zur homogenen Keimbildung gesenkt wird und sich die Geschwindigkeit der Kohlendioxidausfällung erhöht. ⓘ
Die physikalische Reaktion, die die Eruption auslöst, verursacht auch eine chemische Reaktion, die den pH-Wert der Soda leicht erhöht. Denn wenn Kohlendioxid in Wasser gelöst wird, bildet sich Kohlensäure: ⓘ
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Durch den Verlust von Kohlendioxid verschiebt sich das obige Gleichgewicht nach links, wodurch Kohlensäure entfernt wird und der pH-Wert steigt. Es ist die physikalische Reaktion (Verlassen der Lösung durch Kohlendioxid) und nicht der Verlust von Kohlensäure, der den Ausbruch verursacht. ⓘ
Die physikalischen Eigenschaften von Mentos (Oberflächenrauhigkeit) bewirken eine drastische Verringerung der Aktivierungsenergie für die Bildung von Kohlendioxidblasen, so dass die Keimbildungsrate außerordentlich hoch wird. Die Aktivierungsenergie für die Freisetzung von Kohlendioxid aus Diätcola durch den Zusatz von Mentos beträgt 25 kJ mol-1. Die Schaumbildung wird durch Lebensmittelzusatzstoffe wie Kaliumbenzoat, Aspartam, Zucker und Aromastoffe in Cola Light begünstigt, die alle das Ausmaß der Schaumbildung beeinflussen. Es wurde behauptet, dass Gelatine und Gummiarabikum in den Mentos-Bonbons die Fontäne verstärken, aber Experimente haben gezeigt, dass diese Bonbonzusätze die Fontäne nicht beeinflussen. ⓘ
Die Keimbildungsreaktion kann mit jeder heterogenen Oberfläche beginnen, z. B. mit Steinsalz, aber Mentos funktionieren besser als die meisten anderen. Tonya Coffey, Physikerin an der Appalachian State University, vermutet, dass Aspartam in Diätgetränken die Oberflächenspannung des Wassers senkt und eine stärkere Reaktion hervorruft, dass aber Koffein den Prozess nicht beschleunigt. Es hat sich auch gezeigt, dass eine Vielzahl von Getränkezusatzstoffen wie Zucker, Zitronensäure und natürliche Aromen die Höhe von Fontänen erhöhen können. In einigen Fällen erhöhen auch gelöste Feststoffe, die die Oberflächenspannung des Wassers erhöhen (z. B. Zucker), die Fontänenhöhe. Es wurde auch nachgewiesen, dass die Zugabe bestimmter Konzentrationen von Alkohol (der die Oberflächenspannung senkt) zu kohlensäurehaltigen Getränken die Fontänenhöhe verringert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Zusatzstoffe die Höhe von Geysiren nicht durch eine Verringerung der Oberflächenspannung, sondern vielmehr durch eine Verringerung der Blasenkoaleszenz erhöhen. Eine geringere Koaleszenz der Blasen führt zu kleineren Blasen und einer größeren Schaumbildung im Wasser. Die Geysirreaktion funktioniert also auch mit gezuckerten Getränken, aber Diätgetränke werden häufig verwendet, um einen größeren Geysir zu erhalten und um die klebrigen Rückstände einer gezuckerten Limonade nicht entfernen zu müssen. ⓘ
Es wurden weitere Erklärungen dafür vorgeschlagen, warum Diätlimonaden in diesem Experiment besser abschneiden als normale Limonaden. So wurde beispielsweise vermutet, dass die höhere Viskosität von normalen Limonaden im Vergleich zu Diätlimonaden die Bildung der Fontäne in normalen Limonaden hemmen könnte, was zu kürzeren Fontänen führt. Es wurde auch vermutet, dass der stabilere Schaum von Diätlimonaden im Vergleich zu normalen Limonaden zu den größeren Geysiren in Diätlimonaden beitragen könnte. ⓘ
Alternativen
Cola Light und Mentos sind zwar die gängigsten Methoden, um einen Geysir zu erzeugen, aber nicht die einzigen Möglichkeiten. Viele halten Cola Light für die optimale Option, und es wurde untersucht und bestätigt, dass sie die stärkste Wirkung hat. Es kann aber auch jedes andere kohlensäurehaltige Getränk verwendet werden. Was die Mentos betrifft, so gibt es viele Dinge, die als Keimbildner für kohlensäurehaltige Getränke dienen können, zum Beispiel andere Süßigkeiten, Metall- und Keramikkugeln und sogar Sand. ⓘ