起泡液的配制与吹泡器的制作

龙琪

摘要：  通过原理分析，推导出起泡液配制和吹泡器制作的通用方法。根据该原理和方法，以洗护用品和食品为原料配制起泡液，选用塑料滴管和饮料吸管组装吹泡器。用此吹泡器蘸取起泡液，能够吹出大如足球的彩色气泡。该实验可作为STEM教育、项目化学习、化学探究式教学、科普宣传活动的素材。

关键词：  肥皂泡; 表面活性剂; 起泡液; 吹泡器; 实验探究

文章编号：  1005 6629（2022）08 0066 04

中图分类号：  G633.8

文献标识码：  B

自二十世纪八十年代以来，对起泡液配制和吹泡器制作的研究一直持续不断。文献报道的起泡液的配制原料主要有肥皂、蒸馏水、洗衣粉、洗涤剂、甘油、糖浆、洗洁精、洗手液、胶水、白糖、氨水等。改进后的吹泡器主要有干燥管、漏斗形装置、花瓣形喇叭口装置等。如此多的改进方案背后是否有规律性的本质？本研究对此问题展开探讨。

查阅文献发现，关于起泡液和吹泡器设计原理的系统研究尚不多见，只有极少数文献简单地描述了起泡液中每种原料的作用以及吹泡器形状的功能。由于缺乏机理层面的分析，在一些起泡液的配制方法中，就需要限定原料的用量、种类和品牌。已有研究对吹泡器的改进方向主要是形状的变化，很少有研究考虑到吹泡器的材质要求。本研究采取理性主义的研究范式对起泡液配制和吹泡器制作展开研究，即从基本原理出发，首先分析肥皂泡吹不大的根本原因， 然后提出研究假设，再验证假设，最后得出研究结论。理性主义的研究范式从深层次的原理和机理出发，往往能揭示内在规律，因此研究结论具有普适性、通用性和推广性。

根据基本原理，本研究的具体问题是如何采用生活中方便易得的原料器材设计起泡液和吹泡器，用此起泡液和吹泡器能吹出大如足球甚至大如篮球的彩色气泡。该项研究不仅涉及化学、数学、物理学等多学科知识，而且研究成果是具体的产品实物，因此，它是一个来源于生活又高于生活的跨学科综合性问题，可作为STEM教育、项目化学习的教学素材，也可应用于化学探究式教学和科普宣传活动。

1 实验设计目标

气泡吹不大的情况通常有三种： （1）气泡破裂;（2）气泡被吹飞;（3）气泡过早掉落。本实验的设计目标是防止气泡的破裂、被吹飞和掉落。

1.1 防止气泡破裂

气泡的破裂一般先从顶部开始。气泡的液膜具有三层结构，外层和内层都是表面活性剂分子层，中间是水层[1]。水的自身重力以及内外两层表面活性剂分子对水产生挤压排液现象，水分子从气泡上端不断往下移动，在下端产生聚集现象。气泡上端逐渐变薄，承压能力变小，达到极限后气泡就会自发破裂[2]。因此，配制起泡液不仅需要加入能起泡的表面活性剂和水，而且还要加入能够锁住水分子以阻碍水分子自由移动的物质。

在气泡变大的过程中，液膜不断被拉伸，表面活性剂的浓度减小，表面张力随之增加，在表面张力梯度的作用下形成马拉高尼流，使液体沿最佳路线流回到被拉伸之处，从而对变薄的液面进行修复，维持气泡的稳固[3]。这种效应叫做马拉高尼效应。在自动修复过程中，聚集在底部的水回流到顶部需要时间，气泡越大，回流时间越长。因此，吹泡时应使气泡慢慢变大，让聚集在气泡底部的液体有足够时间回流到顶部，加固和修复变薄的顶部液膜。

1.2 防止气泡被吹飞

由生活经验可知，吹肥皂泡时，用力吹气往往会吹出一连串小泡泡，说明气泡在变大之前容易被气流带走，被吹飞。因此，吹泡时要缓慢用气，减缓吹气气流。虽然屏住呼吸缓慢用气可以减缓气流，但这种方式难以量化，不易控制。吹泡器的功能应能够对人体正常吹出的气流进行减速。即使非常用力地吹气，也不会将气泡吹飞。

1.3 防止气泡掉落

用普通飲料吸管吹泡时，形成的气泡容易在吸管壁上滑动并掉落。因此，吹泡器的材质要求是能够有效吸附起泡液，使气泡能够“粘”在吹泡器上不掉落，被慢慢吹大。

2 起泡液的配制

2.1 研究假设

由气泡液膜的结构可知，起泡液的配方中要有表面活性剂和水。生活中的洗护用品一般都含有表面活性剂，比如洗涤剂、洗手液、洗发水、沐浴露、洗衣液等，这些常见的洗护用品都可以用来配制起泡液。

为了有效锁住水分子，还应加入含有羟基的物质，使其与水分子形成氢键。同时，羟基还与表面活性剂分子的极性基团相互作用，产生较强的分子间作用力。加入含有羟基的物质相当于在水分子与表面活性剂分子之间“上了把锁”，将水分子“锁在”定向排列的表面活性剂分子上，使水分子的自由移动受到限制，从而加固气泡液膜的韧性和强度。物理化学原理认为，如果液体有适当黏度，膜内的液体就不易流动，从而增加泡沫的稳定性[4]。蜂蜜、护手甘油的结构中不仅含有羟基，而且黏性较大，方便易得，是加固气泡液膜的首选原料。此外，生活中的果味茶饮品也是加固液膜的理想原料。以绿茶果味茶饮品为例，其成分中含有的茶多酚、糖类物质、维生素C、柠檬酸等物质都含有羟基官能团，能够有效锁住水分子。

在日光照射下，肥皂泡能呈现非常美丽的彩虹颜色，这是光波的干涉现象。 起泡液中加入紫甘蓝汁，可改变起泡液的颜色，这种颜色与彩虹颜色叠加，使气泡更加绚丽多彩。果味茶饮品中的有机酸可使紫甘蓝汁显红色，加入食用纯碱可使紫甘蓝汁显蓝色或绿色。

2.2 验证假设

[实验1]按照20%洗涤剂、60%水、20%甘油的比例配制起泡液1[5]。将洗涤剂换成洗手液，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中加入绿茶果味茶饮品和液态蜂蜜，按照20%洗手液、30%绿茶果味茶饮品、30%液态蜂蜜和20%护手甘油的比例配制起泡液3。用吸管分别蘸取三种起泡液缓慢用气吹泡，发现用起泡液1和起泡液2吹出来的气泡容易破裂，而用起泡液3吹出来的气泡则较为牢固，说明绿茶果味茶饮品、液态蜂蜜这类含有羟基的物质可以使气泡液膜更加牢固。

[实验2] 向含有绿茶果味茶饮品的起泡液中加入紫甘蓝汁，起泡液变为红色。向红色的起泡液中逐渐加入食用纯碱溶液，起泡液的颜色依次变为紫色、蓝色和绿色。用吸管分别蘸取这四种颜色的起泡液吹泡，发现每种起泡液的颜色都出现在气泡中，气泡边缘分别泛起红晕、紫晕、蓝晕和绿晕。正如冰心在散文《肥皂泡》中所描述的现象：“五色的浮光在那轻清透明的球面上乱转”“颤巍巍的光影凌乱”，非常美丽。

2.3 结果与讨论

起泡液的配制原料应包含两类物质。一类是发挥起泡作用形成气泡液膜的洗护用品和水，另一类是加固气泡液膜强度，能与水分子形成氢键的物质。第一类物质在生活中随处可见，比如洗手液、洗洁精、洗衣液、沐浴露、洗发水等。第二类物质也很常见，比如液态蜂蜜、果味茶饮品、护手甘油等。日常生活中自行配制肥皂水时，第二类物质容易被忽略，导致肥皂水因缺少加固液膜的成分而易破裂，难以吹出大气泡。起泡液配制原料中的主要成分都是表面活性剂。表面活性剂可以降低水的表面张力，增加体系稳定性。起泡液中加入紫甘蓝汁，可使吹出的气泡在彩虹颜色基础上更加色彩斑斓。紫甘蓝汁中的花青素含有多个羟基，还可以加固气泡液膜的强度。

根据以上实验结果，得出下文所用起泡液的配方为： 将洗手液、绿茶果味茶饮品、液态蜂蜜和护手甘油按照等体积混合，充分搅拌，使其均匀。实验证明，该配方的起泡液性质稳定，保存三个月以上仍不变质。加入少量紫甘蓝汁，起泡液显红色。向红色起泡液中逐滴加入饱和食用纯碱溶液，起泡液的颜色依次变为紫色、蓝色和绿色。紫甘蓝汁容易变质，为了长期保存起泡液，在配制起泡液时可先不加紫甘蓝汁，仅在需要吹泡时再加入。

以上配制方法并非唯一，洗手液可替换为生活中含有表面活性剂的其他洗护用品，绿茶果味茶饮品可替换成红茶、乌龙茶等含有茶多酚的果味茶饮品等。表面活性剂在低浓度时能够快速降低水的表面张力，随着表面活性剂浓度逐渐增大，表面张力下降的趋势是先快后慢，直至平衡。因此，起泡液原料的配制比例对于起泡效果的影响不大，等体积混合液体在实验操作中最为方便，因此将配制起泡液3的原料比例调整为1∶1∶1∶1。

3 吹泡器的制作

3.1 研究假设

吹泡器要能够减缓吹出的气流流速，同时有效吸附起泡液，因此从形状和材质两方面进行设计。（1）吹泡器的形状要求： 气体在扩散过程中，随着容器体积变大，气体流速会减慢。吹泡器的形状应是进气口小，出气口大的喇叭形。塑料滴管是一种方便易得的实验器材，它由尖嘴、管身和吸囊组成。从尖嘴到管身再到吸囊，管径越来越大。将吸囊顶部剪去后作为吸管，符合进气口小出气口大的形状要求。在尖嘴处套一小段饮料吸管可使人体吹出的气流经过反套的滴管尖嘴而减速。减速后的气流进入管身和吸囊。管身和吸囊管径迅速变大，使气流不断得到缓冲。套在尖嘴处的一小段吸管除了能够减缓气流以外，它还干净卫生，更换后可让吹泡器重复使用。（2）吹泡器的材质要求： 由公式lgd=lg V  3 36π  - 2 3 lgV0可知[6]，在气泡液膜厚度d不变的情况下，吹泡所用的体积V越多，吹出的气泡体积V0就越大。因此，吹泡时多蘸取起泡液有利于吹出大气泡。故吹泡器应能够有效吸附起泡液。

3.2 验证假设

[实验3]取剪掉一半吸囊的塑料滴管1根，普通粗饮料吸管1根、空纸杯1个，精确到0.1g的电子天平1台、起泡液1份。先将粗吸管和空纸杯放在电子天平上，待数据稳定后摁下清零键。用粗吸管在起泡液中蘸一下，取出悬空静置，待不再有液体滴落时，将粗吸管放回空纸杯读数，数据仍然为0.0g。再用一次性塑料滴管重复以上操作并读数，数据为0.2g。

实验3说明，与普通饮料吸管相比，塑料滴管对起泡液的吸附能力更强。这一性质可使吹泡器蘸取较多起泡液，为气泡慢慢胀大持续补充起泡液，减小了因顶部变薄而破裂的可能性。同时，用塑料滴管吹出来的气泡被牢牢吸附在吸囊壁上，增加了气泡顶部的受力面积，可防止气泡因重力原因而过早掉落。

[实验4]取1根5mL塑料滴管（吸囊直径约25mm）和1根细的饮料吸管（管径略大于塑料滴管的尖嘴直径）。将塑料滴管的吸囊剪去一半，在另一头的尖嘴端套上一小段（约5cm）饮料吸管，组装成如图1所示的吹泡器。用此吹泡器蘸取起泡液吹泡，吹出的气泡大如足球，有的气泡甚至比篮球还大。用加入紫甘蓝汁的起泡液吹泡，气泡边缘呈现起泡液的颜色。

3.3 结果与讨论

吹泡器的形状应满足进气口小、出气口大的要求，这样能够减缓吹气气流。吹泡器的材质应能够有效吸附起泡液。实验室里常用的塑料滴管能够满足以上要求。制作方法是将塑料滴管的吸囊剪去一半作为出气口，在另一侧的尖嘴端插入一小段饮料吸管作为进气口的吹嘴。更换吹嘴后可重复使用吹泡器。

需要说明的是，除了起泡液和吹泡器以外，天气条件也会影响气泡大小。由公式m=ρV+ 6πηRv g 可知[7]，当其他变量相同时，空气黏度η越小，气泡的体积V越大。寒冷干燥气压低的天气里，空气黏度小，有利于吹出大气泡。采用本文所述起泡液和吹泡器，在一般条件下能吹出大如足球的气泡，在寒冷干燥的冬天，则可吹出大如篮球的气泡。

4 小結与展望

综上，本课题有三个创新点： 一是分析了气泡吹不大的原因，推导出起泡液配制和吹泡器制作的基本原理和通用方法;二是设计了一种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篮球的彩色气泡;三是提出了与起泡液配制和吹泡器制作有关的系列探究实验，实验原料全是生活中的常见物品，方便易得，实验操作安全简便，实验内容兼具知识性、探究性与趣味性，可用于STEM教育、项目化学习、化学教学和科普教育活动等。

参考文献：

[ 1 ] [ 4 ] 傅献彩等主编. 物理化学·下册（第五版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006： 353， 354.

[ 2 ] [ 6 ] 段香盼， 武海娟， 王旭等. 肥皂泡破裂现象及产生小液滴分布研究[J]. 大学物理， 2019， 38（11）： 6.

[ 3 ] 王振东. 多彩斑斓诚可爱——漫话肥皂泡[J]. 力学与实践， 2014， 36（4）： 6.

[ 5 ] [ 7 ] 冷文秀， 胡家晨， 张鑫杰等. 肥皂泡的光学和力学性质[J]. 物理实验， 2013， 33（2）： 29～33.