Otevřeme víčko plechovky sodovky nebo si vyrobíme vlastní limonádu, aniž bychom se zamysleli nad tím, co se děje uvnitř. Někdy je však třeba se zastavit a zamyslet, protože tyto zdánlivě všední věci jsou složitější, než si možná myslíte. V perlivých nápojích se odehrává mnohem více chemie, než jste si možná mysleli. Pojďme se podívat na vědecké poznatky o perlivé vodě.
Karbonizace: Je to plyn
U perlivých nápojů, jako jsou limonády, je aktivní složkou oxid uhličitý (CO2). Tento bezbarvý plyn bez chuti je přirozeně přítomen v atmosféře v malém množství (asi 0,04 %) a hraje důležitou roli při regulaci teploty. Je to jeden ze skleníkových plynů, který pohlcuje infračervené záření ze Slunce, což pomáhá regulovat množství tepla, které se dostane na povrch Země. Lidé, zvířata a většina bakterií ho vydechují a rostliny ho absorbují a využívají k tvorbě cukrů při fotosyntéze v neustálém koloběhu známém jako uhlíkový cyklus.
Myšlenka saturace není nová. Pivo existuje téměř tak dlouho jako lidé a při tomto procesu vzniká CO2, který dává pivu pěnu. U nepivních nápojů se však tento proces začal uplatňovat až v 18. století. Anglický chemik Joseph Priestley, objevitel kyslíku, připojil láhev s vodou k sudu s pivem a všiml si, že část plynu vznikajícího při tomto procesu se rozpouští ve vodě a uvolňuje se, když láhev otevře. CO2 v té době ještě nebyl identifikován, a tak jej nazval fixním vzduchem. V brožuře, kterou Priestley vydal k oznámení svého objevu (PDF), naznačil, že voda s fixovaným vzduchem nezkysne jako jiná voda a že by mohla mít léčebné využití. Později ji označil za svůj „nejšťastnější vynález“.
Bublinky mi stoupají do nosu
Jak tedy funguje sycení? Základní proces spočívá v nuceném rozpouštění CO2 ve vodě. K tomu jsou potřeba dvě věci: nízká teplota a tlak. CO2 se mnohem lépe rozpouští ve studené vodě než v horké. Při teplotě asi 8 °C (45 °F), kterou doporučuje většina výrobců sodovky, dokáže 2,2 pinty (1 litr) vody absorbovat asi 0,1 unce (3 gramy) CO2. Při běžné pokojové teplotě 60°F (asi 15 °C) je to jen něco přes 0,07 unce (asi 2 gramy). Dalším faktorem je tlak. Čím vyšší je tlak plynu CO2, tím rychleji a úplněji se ve vodě rozpustí. Chcete-li tedy vodu sycenou oxidem uhličitým, zchlaďte ji a pak na ni aplikujte vysokotlaký CO2.
Výrobci sodovky používají při sycení vody trubičku nebo hůlku, která se zapíchne do vody. CO2 se rozpouští ve vodě na jejím povrchu a vytváření bublinek tuto plochu zvětšuje a pomáhá rozpouštět více CO2. Při výrobě perlivé vody se pozorně dívejte. Můžete si všimnout, že některé malé bublinky zcela zmizí dříve, než dopadnou na hladinu, protože všechen CO2, který bublinku tvoří, byl rozpuštěn.
Po nějaké době voda absorbuje tolik CO2, kolik jen může. Dokud je nad vodou dostatečný tlak plynu CO2, nemůže rozpuštěný CO2 uniknout. Chemici tomu říkají rovnováha:
Ačkoli množství CO2, které se může rozpustit ve vodě, se zvyšující se teplotou klesá, tato rovnováha stále trvá. Chemici tomu říkají přesycený roztok: Voda zadržuje více CO2, než by při dané teplotě absorbovala. Nemá kam uniknout, dokud láhev neotevřete nebo dokud tlak plynu láhev nerozbije či nepraskne. Plastové lahve a kovové plechovky jsou neuvěřitelně pevné, ale praskají. Tento jev uvidíte, pokud necháte plechovku coly dlouho v horkém autě.
Jednou ze zvláštních zvláštností sycení je to, co se stane, pokud sycený nápoj zmrazíte: Láhev nebo plechovka obvykle praskne. Vzhledem k tomu, že studená voda obsahuje více CO2 než teplá, dalo by se očekávat, že se stane opak. Ale studená voda a led nejsou totéž a CO2 není v ledu rozpustný. Když zmrazíte láhev s limonádou, voda zmrzne a vytlačí CO2. Tím se uvnitř plechovky vytvoří obrovský tlak plynu. Nakonec kombinace tohoto tlaku a rozpínání ledu (který má menší hustotu než voda) způsobí prasknutí láhve nebo plechovky. Proto se limonády nemrazí.
To také vysvětluje účinnost toho, když někomu dáte plechovku limonády, která byla chvíli v mrazáku, takže při otevření vytryskne. Téměř zmrzlá limonáda vytlačuje CO2, což vytváří tlak, aby žertík fungoval.
Když otevřete plechovku nebo láhev s limonádou, porušíte rovnováhu. Plyn se řítí ven a snižuje tlak na vodní hladinu. Najednou má CO2 rozpuštěný ve vodě kam unikat, a tak začne unikat. Nevytéká však jen z horní části. Vznikají malé bublinky, které se při stoupání zvětšují. To proto, že tyto bublinky tvoří malé plochy ve vodě a při jejich stoupání se dovnitř dostává více CO2.
Tyto bublinky se však netvoří jen tak někde. Obvykle začínají na povrchu sklenice, láhve nebo plechovky, ve které je nápoj uložen, protože drobné nedokonalosti povrchu vytvářejí místo pro vznik drobných startovacích bublinek. Proto vidíte proudy bublinek, které stoupají vzhůru: Na těchto nedokonalostech se bublinky tvoří tak dlouho, dokud nejsou dostatečně velké, aby se odlomily a stoupaly vzhůru, a na nedokonalosti se vytvoří nová bublinka, a tak dále.
To je také důvod, proč funguje trik na večírku, kdy se vytvoří sodová fontána vhozením máty do láhve, protože povrch máty je pokrytý nedokonalostmi, což vytvoří náhlý příval bublinek a sodovou fontánu.
Vše o kyselině
Karbonizace však není jen o bublinkách. Tento proces také mění chuť vody tím, že vytváří ostrou, štiplavou chuť, která může doplnit některé nápoje. Možná si neuvědomujete, že je to způsobeno kyselinou. Když se CO2 rozpustí ve vodě, část z něj reaguje s vodou (s chemickým vzorcem H20) za vzniku kyseliny uhličité (chemický vzorec H2CO3). Jedná se o poměrně slabou kyselinu, ale je důležitou součástí procesu, protože dodává perlivé vodě onen říz, který někteří považují za přitažlivý. Kyselina uhličitá má také mírný antibiotický účinek, který zabraňuje růstu bakterií ve vodě.
Další zajímavá chemická poznámka: Donedávna se vědci domnívali, že kyselina uhličitá nemůže existovat sama o sobě mimo vodu. Domnívali se, že bez vody, v níž je běžně rozpuštěna, by se okamžitě rozpadla. V roce 2011 se však vědcům podařilo kyselinu uhličitou izolovat a poprvé vytvořit stabilní pevnou a plynnou kyselinu uhličitou. Je úžasné, že v každém doušku perlivé vody je látka, kterou vědci izolovali až v tomto desetiletí. Někdy i všední a každodenní aspekty vědy o spotřebičích mohou obsahovat překvapení…