把五种液体叠起来:一杯能喝的密度柱
蜂蜜、糖浆、糖水、油和烈酒会在高身杯里按固定顺序分层,并且能保持几个小时。先称出每种液体同体积的质量,你就能在倒下一滴之前预测这个顺序。
材料
| 材料 | 用量 | 替代方案 |
|---|---|---|
| 蜂蜜 | 60 毫升 | 金黄糖浆,密度更高 |
| 枫糖浆 | 60 毫升 | 龙舌兰糖浆或玉米糖浆 |
| 60 毫升水中溶入 20 克糖的糖水 | 60 毫升 | 全糖可乐,需先放掉气 |
| 葵花籽油或植物油 | 60 毫升 | 任何味道中性的食用油;橄榄油密度略高 |
| 40 度以上的高度透明烈酒 | 60 毫升 | 医用酒精,但绝不能品尝 |
| 高身细口杯 | 1 个,至少 250 毫升 | 花瓶或量筒 |
操作步骤
在同一个杯子里分别称 60 毫升每种液体的质量,每次之间冲洗擦干,把数字记下来。
观察要点: 每 60 毫升蜂蜜约 85 克、糖浆 80 克、糖水 66 克、油 55 克、烈酒 57 克。
在倒任何东西之前,先按单位体积质量把五种液体排序。
观察要点: 油和烈酒很接近,它们之间的先后取决于酒精度。
把 60 毫升蜂蜜倒进高杯,让它自然摊平。
观察要点: 蜂蜜要大约一分钟才摊平,因为它的黏度是水的几千倍。
之后每种液体都沿着杯壁慢慢倒,按密度从大到小的顺序依次加入。
观察要点: 每一层都稳稳压在下一层上,界面清晰。唯一会有一点混合的,只有油和烈酒这一对。
把杯子在台面上放一小时,再看一次界面。
观察要点: 随着两种黏度最低的液体缓慢互扩散,原本锐利的边界会变模糊。
原理
密度是单位体积的质量,所以液体总是浮在比自己更密的液体之上。蜂蜜主要由果糖和葡萄糖组成、含水极少,密度约 1.42 克每毫升;枫糖浆 1.33;糖水 1.10;油 0.92;40 度烈酒约 0.95。分层能够保持,是因为下面的重液体无法在不把上面的轻液体挤开的情况下穿过它,而黏度又拖慢了最终会抹平差异的混合过程。界面之所以锐利,是因为边界两侧的液体在化学上并不互溶:糖水和油完全不相溶,蜂蜜和糖浆的差别主要在于含水多少,而不是分子种类。
可以这样理解: 密度柱像一支按重量而非按到场顺序排的队。每种液体都停在比自己重的那一种之上、比自己轻的那一种之下,一旦站对位置,它就没有理由再移动。
清理与处置
这杯东西是食物,所以最安全的收尾是把上面两层倒掉——如果用了非食用酒精就一定要倒掉——其余吃掉。如果用的是医用酒精,把整杯倒进密封容器,送到家庭化学废品回收点。不要大量把异丙醇倒进水槽。
实验台笔记
先称再倒
这张实验卡的重点是用天平去预测分层,而不是靠倒出来再发现。称五种各 60 毫升只要六分钟,却省掉了全部猜测。
Observed / 实测最轻的两层之间只差约 0.03 克每毫升,已经落在 1 克厨房秤的误差范围内。想有把握地区分它们,请取 200 毫升样品。
界面长什么样
耐心一点就能得到五条干净的边界。其中糖水和油之间那一层最有教学价值,因为那是两种液体真正完全不相溶的界面。
Observed / 实测从糖水下方放出一滴油,它会一路上浮,然后在糖浆界面处戛然而止。
台面上的酒精
值得一试的变体
- 加第六层甘油,密度 1.26,在倒之前先预测它会停在哪一层。
- 丢入小番茄、葡萄、胡萝卜块和一颗塑料珠,预测每一样会停在哪个界面。
- 把整杯放进 40 摄氏度的水浴里加热十分钟,看黏度下降时边界如何移动。
实验台上常被问到的问题
- 为什么油和烈酒有时会调换位置?
- 密度取决于准确的酒精浓度。40 度烈酒约 0.95 克每毫升,比葵花籽油的 0.92 重;但 50 度烈酒会掉到约 0.93,两者就几乎一样了。顺序重要的话,请实测你手上那瓶。
- 能用清水代替糖水吗?
- 可以,但纯水 1.00 克每毫升和油 0.92 很接近,界面不够明显。加糖提高了水的密度,分层就看得很清楚。
- 能保持多久?
- 室温下大约两小时内观感良好。之后界面会变厚,到第二天早上油层和烈酒层基本已经混在一起。