Agregar pellets de caramelo de menta Mentos a las bebidas carbonatadas ha sido un elemento básico de la feria de ciencias durante años. Si bien la mayoría de los niños de diez años pueden decirle por qué arroja un géiser de espuma, ciertas características microscópicas de la reacción no han sido tan fáciles de entender.
Un profesor de química en la Universidad Spring Arbor en los Estados Unidos unió fuerzas con un maestro de secundaria de Colorado para mapear la reacción en el momento crucial, revelando nuevos e intrincados detalles sobre el tamaño de las burbujas que generan la fuente de la efervescencia.
Para hacerlo, fueron un poco más lejos que el gimnasio o el estacionamiento para maestros. Este experimento los llevó casi literalmente a los confines de la Tierra, desde Death Valley en California hasta la punta de Pikes Peak en las Montañas Rocosas.
Gracias a su simplicidad, seguridad y bajo costo (sin mencionar la popularidad en las primeras redes sociales), la actividad de Mentos y Coca-Cola es una perenne clase para demostrar una variedad de principios en química y física.
En un nivel básico, la explicación detrás de la reacción es bastante sencilla: el dióxido de carbono se disuelve en Coca-Cola bajo presión. Romper la tapa de la botella cambia la presión, permitiendo que parte del gas se caiga de la solución y se disuelva en la atmósfera de acuerdo con las buenas leyes de gases.
Exponer más de la solución al aire circundante permite que escape más gas (por ejemplo, si se agitara la botella); un dulce Mentos simplemente acelera este proceso de manera dramática.
Estudios previos han demostrado que los pequeños hoyos en la cáscara del caramelo proporcionan las trampas perfectas para las pequeñas burbujas de aire, por lo que cuando uno de esos discos blancos se hunde en la bebida, su superficie proporciona una extensión de aire para el dióxido de carbono disuelto en el interior de la botella para precipitarse y llenarse .
Hasta ahora, el tamaño exacto de esas pequeñas burbujas de nucleación solo podía estimarse en base a imágenes micrográficas del caparazón con textura del caramelo.
Tampoco es una pregunta trivial. Para que el dióxido de carbono salga de la solución, cada burbuja debe proporcionar la cantidad correcta de superficie para que fluya una gran cantidad de gas.
Teóricamente, deben ser más grandes que un micrómetro de diámetro, pero las burbujas más grandes también ocupan más espacio, reduciendo el número de sitios de nucleación y potencialmente afectando la velocidad de flujo general.
Dado que no hay una manera fácil de capturar el momento visualmente, resolverlo exige un uso inteligente de las relaciones clave en física, lo que significa poner números a variables como la presión y el volumen.
El químico de Spring Arbor University (y autoproclamado fanático de Mentos y Coca-Cola) Thomas Kuntzleman había notado que la reacción es mucho más dramática cuando se lleva a cabo a grandes alturas.
En 2018, Kuntzleman tenía un regalo para el día del padre que estaba dispuesto a aprovechar. Tenía permiso de su familia para llevar a cabo su experimento favorito en un viaje por carretera en todo el país para realizar pruebas en el mundo real.
Mentos y Coca-Cola a diferentes altitudes. (Kuntzleman & Johnson, Revista de Educación Química, 2020)
"Para hacerlo, llevamos a cabo el experimento en muchos lugares de los Estados Unidos a altitudes que iban desde debajo del nivel del mar en Death Valley hasta más de 14,000 pies (4,300 metros) en la cima del Pikes Peak", dijo Kuntzleman al blog de ciencias. Investigación improbable.
"Tuvimos una explosión absoluta".
Mientras tanto, acordó a su compañero de ciencias Ryan Ryan para que llevara a cabo sus propias pruebas en las laderas de una montaña en Colorado. (Puedes ver la diversión que tuvieron en Kuntzleman Clip de YouTube abajo.)
Descubrieron que la presión del aire por sí sola no podía explicar sus observaciones, dejando espacio para deducir variables más finas que contribuyen a la acción de espuma.
Combinando datos de variaciones en la presión del aire con mediciones de la masa perdida por la desgasificación, junto con comparaciones entre diferentes dulces, Kuntzleman y Johnson pronto tuvieron una idea bastante clara de por qué Mentos es la mejor opción para este tipo de actividad.
Sus ecuaciones sugieren que esos sitios de nucleación tienen entre 2 y 7 micrómetros de ancho, un tamaño que proporciona un compromiso bastante bueno entre el tamaño de la burbuja y la densidad de los sitios de nucleación en la superficie del caramelo.
Su conclusión también es relativamente adecuada para imágenes micrográficas de los pozos en la cáscara del caramelo, basándose en modelos existentes que explican la famosa demostración.
Sin duda, los resultados son una gran noticia para el equipo de marketing de Mentos, ya que elaboran consignas futuras. Pero los verdaderos ganadores serán los maestros que buscan datos para usar en la capacitación de sus químicos y físicos en ciernes.
¡No podemos esperar a la próxima generación de carteles de la feria de ciencia Mentos y Coca-Cola!
Esta investigación fue publicada en el Revista de Educación Química.