大象牙膏实验配方与泡沫挤喷效应探究

摘要： 根据大象牙膏实验原理，以30% H2O2溶液、饱和KI溶液和20%洗涤剂为反应物料，探究物料组合与产生泡沫的挤喷效应。首先，利用量气管装置，设计实验确定30% H2O2溶液和饱和KI溶液的用量配比。其次，固定此配比，改变物料用量，分别在100mL容量瓶、1000mL容量瓶和1000mL三角烧瓶中进行大象牙膏实验，得出相应的泡沫挤喷效应较佳的反应物料配方。实验的重现性好，该物料配方可供大象牙膏演示或学生探究实验时参考。

关键词： 大象牙膏实验； 配方； 泡沫挤喷效应； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2024）06-0083-05 中图分类号： G633．8 文献标识码： B

大象牙膏实验是由伊利诺伊州的怪异科学小组首次实验［1］，经2009年美国《连线》杂志介绍后被大众所熟知，由于其实验现象明显、易于操作、反应时间短等特点受到诸多教学工作者的关注，深受大众喜欢。

通过查阅文献及搜集网络相关视频发现，主要集中于实验对教学的作用以及研究反应机理［2～5］上，实验现象以泡沫从容器瓶口溢出居多，很少有对泡沫喷出的配方研究。目前一般文献介绍使用的是50% H2O2溶液，该浓度的H2O2溶液只能购买到工业级的25L的大包装，大大增加了购买的难度和储存的风险［6］。

本研究使用相比文献浓度降低的30% H2O2溶液，在小体量实验（100mL容量瓶）和大体量实验（1000mL容量瓶或三角烧瓶）中分别探索H2O2溶液的用量、催化剂、洗涤剂的浓度和用量与泡沫挤喷效应，得到适合室内和户外两种场合下大象牙膏实验的配方。

1 仪器与试剂

仪器：电子天平（JY502，上海浦春计量仪器有限公司）、磁力搅拌器（ES35B，北京莱伯泰科仪器股份有限公司）、100mL量气管、25mL三口烧瓶（24#）、水准瓶、蝴蝶夹、磨口夹（24#）、乳胶管、1mL一次性注射器、翻口塞（24#）、量筒（10mL， 100mL）、容量瓶（100mL， 1000mL）、三角烧瓶（100mL， 1000mL， 5000mL）、低型烧杯（25mL， 100mL， 250mL）、一次性滴管、药匙试剂：30% H2O2（AR）、碘化钾（AR）、洗涤剂（白猫洗洁精）、淀粉（AR）

2 实验部分

2.1 实验原理

在用KI、 KMnO4或酵母等催化H2O2分解的物系中加入洗涤剂后进行的反应称为大象牙膏实验。在溶液中KI催化H2O2分解的主反应为：

查阅文献［7］可知，KI催化H2O2发生的反应非常复杂，还包括众多副反应，其中之一为I2的生成。

故KI不仅仅是作为催化剂参与反应，而且也充当了反应物。大象牙膏反应一开始，产生大量的O2，洗涤剂中的表面活性物质包裹生成的O2以气泡形式从容器瓶口涌出。为实现泡沫喷出效果，需要充足的I－提高H2O2的分解速率，并且洗涤剂中的表面活性物质须尽可能地包裹住生成的O2。所以这一过程使用的H2O2溶液、催化剂和洗涤剂等的浓度和用量必然有一个合适的比例和用量，这即为本实验的探究内容。

2.2 实验内容

首先使用量气管研究确定一定量的30% H2O2溶液最快生成较多O2时KI溶液的浓度及用量；接着在100mL容量瓶中保持30% H2O2、 KI溶液及洗涤剂的比例及相应浓度不变，探究较为合适的各反应物用量；然后在此基础上调整洗涤剂的浓度及用量观察反应情况，总结得出适合在100mL容量瓶中反应的各反应物浓度和用量的较优配方，并将之等比例扩大到大体量的实验中。

2.2.1 利用量气管法确定30% H2O2和KI溶液的配比

将三口烧瓶置于磁力搅拌器上固定，放入磁子，量气管固定在铁架台上，二者用抽气接头和乳胶管连接，量气管下端用乳胶管连接水准瓶，检测并保证装置气密性良好（如图1所示）。

保持30% H2O2溶液的用量为0.3mL不变，配制了浓度分别为10%、 20%、 30%、 40%、 50%及饱和KI（约56%）溶液，将不同浓度的KI溶液依次加入盛有0．3mL 30% H2O2溶液的三口烧瓶中，探究最快生成较多O2时KI溶液的浓度和用量。量气管初始读数为0．00mL，室温为24.5℃。

2.2.2 确定100mL容量瓶中反应液剂量的实验

量筒、三角烧瓶和容量瓶是目前大象牙膏实验常见的三种反应容器，底部容积较大而头部较窄的容量瓶和三角烧瓶，比量筒更容易使泡沫喷出形成泡沫柱，所以选用100mL容量瓶（口径：14mm，瓶高：177mm）作为小体量实验的容器。

保持体积V（30% H2O2溶液）∶V（饱和KI溶液）=5∶2，使洗涤剂（质量分数10%）与饱和KI溶液用量一致，成倍增加物料用量，探究100mL容量瓶中泡沫柱连续喷出最高时的反应液剂量。具体步骤为：向100mL容量瓶中加入30% H2O2溶液和洗涤剂，摇匀，再加入KI溶液进行观察（后续实验步骤均如此）。

2.2.3 确定100mL容量瓶中

洗涤剂浓度和用量的实验

保持V（30% H2O2）=5mL及V（饱和KI溶液）=2mL，使用浓度分别为5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%的洗涤剂，依次反应并观察现象，得出100mL容量瓶中泡沫柱连续喷出最高的物料配方。

2.2.4 确定1000mL容量瓶及三角烧瓶中反应物料配方的实验

将100mL容量瓶中反应的小体量实验物料配方用量直接扩大10倍，即保持V（30% H2O2）=50mL、V（饱和KI溶液）=20mL及V（20%洗涤剂）=20mL，分别在1000mL容量瓶（口径：30mm，瓶高：240mm）、1000mL三角烧瓶（口径：30mm，瓶高：240mm）中反应并观察现象，随后对洗涤剂用量进行微调，分别得出二者泡沫柱最高的物料配方。接着将1000mL三角烧瓶中反应的较佳物料配方使用在大口径的1000mL三角烧瓶（口径：36mm，瓶高：220mm）中查看口径对泡沫柱高度的影响。

2.2.5 注意事项

（1） 30% H2O2溶液是强氧化剂，腐蚀性极强，实验中生成的碘对粘膜、皮肤有刺激性，因此实验前必须做好实验防护，戴好护目镜、手套、口罩，穿好防护服。

（2） 反应在数秒内发生，因此物料加入后需即刻远离。

3 实验结果与讨论

3.1 利用量气管装置确定30% H2O2和KI溶液的配比

根据2.2.1实验得到的数据如表1所示。

将30% H2O2溶液和KI溶液加入三口烧瓶后，量气管液面开始下降，一段时间后稳定在41～43mL。从反应a到反应f，随着加入反应的KI溶液质量分数的增大，反应开始后量气管液面从缓慢下降变化至飞速下降，同时表现为开始后2秒量气管读数也从3mL迅速增加到57mL，这说明随着参与反应的I－浓度增大，实验开始2秒内生成O2的量也增多。表1中可看出使用50% KI溶液实验开始2秒生成O2的量，已达到加入等量KI溶液时的最大量值。但因后续实验需加入洗涤剂，一定程度上会造成反应液稀释，所以接下来均选用饱和KI溶液作为催化剂。

从表1还可看出（反应f到反应j），使用饱和KI溶液为催化剂，改变催化剂用量，0.12mL饱和KI溶液已使量气管读数达到较大值，此时30% H2O2溶液与饱和KI溶液的体积比为0.3∶0.12=5∶2左右。从节约试剂的角度，选择该配比作为后续实验的先决条件。

3.2 确定100mL容量瓶中反应液剂量的实验

根据2.2.2实验得到的数据如表2所示。

将所有试剂加入100mL容量瓶后快速反应，瓶内产生的泡沫迅速上升冲出容量瓶口并形成泡沫柱。与此同时，容量瓶及瓶口一部分泡沫显黄色，且有刺激性

气味产生，泡沫遇淀粉溶液显蓝色，这也验证了反应过程中产生了碘单质。据表2看出，总反应液增加并不总能提高泡沫柱高度，在100mL容量瓶中使用5mL 30% H2O2溶液和2mL饱和KI溶液形成的泡沫柱最高。

3.3 确定100mL容量瓶中洗涤剂浓度和用量的实验

根据2.2.3实验得到的数据如表3所示。

由表3得出，当洗涤剂用量均为2.0mL时，随着洗涤剂浓度的增加，泡沫柱的高度先增加后降低，在洗涤剂浓度为20%时泡沫柱高度达到峰值。当固定洗涤剂浓度为20%时，改变洗涤剂用量，挤喷效果由不连续的碎片逐渐转变为连续的泡沫柱，洗涤剂用量为2.0mL时泡沫柱高度最高，达到90cm以上。继续加大洗涤剂用量时，泡沫柱高度有所降低，可能是由于体系黏性增大，削减了喷射力度导致的。本组实验说明洗涤剂浓度为20%且用量为2mL时，达到了较佳的效果，同时也可说明洗涤剂的浓度和用量对实现泡沫柱的挤喷效应影响很大。

综上所述，以100mL容量瓶为反应容器，5mL 30% H2O2溶液、2mL饱和KI溶液作为催化剂、2mL 20%洗涤剂作为起泡剂即为其较佳配方。

3.4 确定1000mL容量瓶及三角烧瓶中反应物料配方的实验

当30% H2O2溶液、饱和KI溶液的用量和洗涤剂的浓度保持不变时，实验2.2.4结果如下。

（1） 1000mL容量瓶实验结果如表4所示：

据表4可以看出，将配方用量直接放大10倍，效果不理想，无法得出泡沫连续的高泡沫柱。考虑到可能由于泡沫量不足，无法有效包裹产生的O2，于是加大洗涤剂用量又进行了4组实验，当20%洗涤剂用量为40mL时，得到了超过2.3米的连续泡沫柱。这说明1000mL容量瓶为反应容器，加入50mL 30% H2O2溶液、20mL饱和KI溶液作为催化剂、40mL 20%洗涤剂作为起泡剂即为较佳配方。

（2） 1000mL三角烧瓶实验结果如表5所示：

据表5可以看出，和1000mL容量瓶一样，将较佳配方用量扩大10倍直接用于1000mL三角烧瓶时，仍未得到连续泡沫柱。但增加洗涤剂的用量为25mL时，连续泡沫柱最高可达约2.3m，达到实验预期，如图2所示。继续增加洗涤剂用量，泡沫柱高度降低，说明50mL 30% H2O2溶液、20mL饱和KI溶液、25mL 20%洗涤剂即为1000mL三角烧瓶中实验的较佳配方。

另外，针对口径不同的三角烧瓶做了对照试验，使用此配方在口径为36mm的三角烧瓶中实验，得到了约1.2m的泡沫柱，远低于2.3m。所以若需获得较高的泡沫柱，应尽量选择口径较小的三角烧瓶作为容器。在尝试将此配方扩大5倍、以口径为52mm的5000mL三角烧瓶为反应容器时，得到约3m的连续泡沫柱。

4 结语

综上所述，H2O2溶液、催化剂KI溶液、洗涤剂的浓度和用量均会影响大象牙膏实验喷出的泡沫柱高度，实验容器类型、容积及其口径等也有十分重要的作用。本文通过在100mL容量瓶中加入一定比例的30%H2O2溶液、饱和KI溶液，并调节洗涤剂的浓度和用量的一系列实验，得出了小体量实验较佳配方，并将该配方等比例扩大并对洗涤剂用量进行微调后适用于大体量实验（1000mL和5000mL容器），最终得出了室内和户外两个场合大象牙膏实验能喷出泡沫柱的参考配方。

参考文献：

［1］Alfred R.， Conklin Jr.， and Angela Kessinger. Demonstration of the Catalytic Decomposition of Hydrogen Peroxide ［J］. J. Chem. Educ.， 1996， 73（9）： 838.

［2］柏杨， 文丽. “大象牙膏”趣味实验对于教学的妙用［J］. 化学教与学， 2020， （1）： 91～92.

［3］杨茵. H2O2催化分解反应速率的实验探究［J］. 化学教学， 2019， （1）： 70～72.

［4］侯柏杨. 对“大象牙膏”实验的探究［J］. 化学工程与装备， 2017， （12）： 314～316.

［5］［7］Ben Ruekberg， David L. Freeman. Elephant＇s Toothpaste Used as a Qualitative Demonstration of Rate versus Temperature ［J］. J. Chem. Educ.， 2020， （97）： 1061～1067.

［6］董永瑞， 王艳， 刘思成， 张子涵， 梁德强， 王宝玲， 李维莉等. 大象牙膏实验喷射成型影响因素研究［J］. 昆明学院学报， 2018， 40（3）： 100～102.

*上海科技大学物质与科学技术学院化学实验教学中心运行经费资助（2024A0201-405-07）的研究成果。