Vi åbner toppen på en dåse sodavand eller laver vores egne sodavand uden at tænke på, hvad der foregår indeni. Men nogle gange er man nødt til at stoppe op og tænke sig om, for disse ting, der virker banale, er mere komplicerede, end man måske tror. Der foregår meget mere kemi i sodavand, end du måske havde troet. Lad os tage et kig på videnskaben bag mousserende vand.
Karbonering: Det er en gas
For brusende drikkevarer som sodavand er den aktive bestanddel kuldioxid (CO2). Denne farveløse, smagløse gas er naturligt til stede i atmosfæren i små mængder (ca. 0,04 %) og spiller en afgørende rolle i reguleringen af temperaturen. Det er en af de drivhusgasser, der absorberer infrarød stråling fra solen, hvilket er med til at kontrollere den mængde varme, der når frem til jordens overflade. Mennesker, dyr og de fleste bakterier ånder det ud, og planter absorberer det og bruger det til at opbygge sukkerstoffer i fotosyntesen i en konstant omdrejning, der er kendt som kulstofkredsløbet.
Idéen om kulsyre er ikke ny. Øl har eksisteret næsten lige så længe, som mennesket har eksisteret, og denne proces producerer CO2, som giver øllet dets skummende hoved. Denne proces blev dog ikke anvendt på ikke-bryggede drikkevarer før det 18. århundrede. Den engelske kemiker Joseph Priestley, der opdagede ilten, tilsluttede en flaske vand til et fad med øl fra bryggeriet og bemærkede, at noget af den gas, der blev produceret ved processen, opløstes i vandet og blev frigivet, når han åbnede flasken. CO2 var endnu ikke blevet identificeret på det tidspunkt, så han kaldte det for fast luft. I den pamflet, som Priestley udgav for at bekendtgøre sin opdagelse (PDF), antydede han, at vand med fast luft ikke blev surt som andet vand, og at det kunne have medicinske anvendelser. Han beskrev det senere som sin “lykkeligste opfindelse”
Boblerne stiger op i min næse
Hvordan virker kulsyretilsætning så? Den grundlæggende proces er at tvinge CO2 til at opløses i vand. Det kræver to ting: lav temperatur og lavt tryk. CO2 opløses meget bedre i koldt vand end i varmt. Ved en temperatur på ca. 8 °C (ca. 45 °F), som de fleste sodavandsproducenter anbefaler, kan 2,2 pints (1 liter) vand optage ca. 3 gram CO2. Ved en typisk stuetemperatur på ca. 15 °C (60 °F) falder dette til lidt over 2 gram (0,07 ounces). Trykket er den anden faktor. Jo højere CO2-gasens tryk er, jo hurtigere og mere fuldstændigt vil den opløses i vandet. Så for at kulsyre vand afkøler man det og tilfører derefter CO2 under højt tryk.
Sodavandsproducenter bruger et rør eller en stav, der stikker ned i vandet, når de kulsyre det. CO2’en opløses i vandet på overfladen, og ved at skabe bobler øges dette område og hjælper mere CO2 med at opløses. Se godt efter, når du laver brusende vand. Du kan se, at nogle af de små bobler forsvinder helt, inden de rammer overfladen, fordi al den CO2, der danner boblen, er blevet opløst.
Efter lidt tid vil vandet have optaget så meget CO2 som muligt. Så længe der er tryk nok i CO2-gassen over vandet, kan den opløste CO2 ikke slippe ud. Kemikere kalder dette for en ligevægt: Trykket i CO2-gassen forhindrer den CO2, der er opløst i vandet, i at slippe ud, og mængden af CO2, der er opløst i vandet, forhindrer gassen i at blive opløst i vandet.
Selv om mængden af CO2, der kan opløses i vand, falder, når temperaturen stiger, vil denne ligevægt stadig holde. Kemikere kalder dette en overmættet opløsning: Vandet holder på mere CO2, end det ville optage ved den pågældende temperatur. Det har ingen steder at tage hen, før du åbner flasken, eller indtil trykket fra gassen bryder eller sprænger flasken. Plastikflasker og metaldåser er utroligt stærke, men de brister alligevel. Du kan se dette fænomen, hvis du lader en dåse Cola stå i en varm bil i lang tid.
En mærkelig særhed ved kulsyre er, hvad der sker, hvis du fryser en kulsyreholdig drik ned: Flasken eller dåsen sprænges normalt. I betragtning af at koldt vand indeholder mere CO2 end varmt vand, kunne man forvente, at det modsatte ville ske. Men koldt vand og is er ikke det samme, og CO2 er ikke opløseligt i is. Når du fryser en flaske sodavand ned, fryser vandet og tvinger CO2 ud. Dette skaber et enormt gastryk inde i dåsen. Til sidst vil kombinationen af dette tryk og isens ekspansion (som er mindre tæt end vand) få flasken eller dåsen til at sprænge. Det er derfor, man ikke fryser sodavand ned.
Det forklarer også effektiviteten af at give nogen en dåse sodavand, der har været i fryseren i et stykke tid, så det fosser ud, når de åbner den. Den næsten frosne sodavand presser CO2’en ud, hvilket skaber det tryk, der skal til, for at spøgen virker.
Når man åbner en dåse eller flaske sodavand, bryder man ligevægten. Gassen skyller ud og reducerer trykket på vandoverfladen. Pludselig har den CO2, der er opløst i vandet, et sted at tage hen, så den begynder at slippe ud. Men det løber ikke bare ud af toppen. Der dannes små bobler, som bliver større, efterhånden som de stiger op. Det skyldes, at disse bobler er små overflader i vandet, og mere af CO2’en strømmer ind, efterhånden som de stiger.
Disse bobler dannes dog ikke bare hvor som helst. De starter normalt på overfladen af det glas, den flaske eller dåse, som drikken er i, fordi små ufuldkommenheder i overfladen danner et sted, hvor de små startbobler kan dannes. Det er derfor, du ser strømme af bobler stige op: Der dannes bobler på disse ufuldkommenheder, indtil de er store nok til at bryde af og stige op, hvorefter der dannes en ny boble på ufuldkommenheden, og så videre.
Det er også derfor, at festtricket med at skabe en sodavandsfontæne ved at smide en mynte ned i en flaske virker, fordi myntens overflade er dækket af ufuldkommenheder, hvilket skaber en pludselig bobleudstrømning og en sodavandsfontæne.
All about the acid
Kulsyredannelse handler dog ikke kun om bobler. Processen ændrer også vandets smag ved at skabe en skarp, syrlig smag, der kan supplere nogle drikkevarer. Hvad du måske ikke er klar over, er, at dette skyldes en syre. Når CO2 opløses i vandet, reagerer noget af det med vandet (med en kemisk formel H20) og danner kulsyre (kemisk formel H2CO3). Dette er en ret svag syre, men den er en vigtig del af processen, fordi den giver brusende vand det bid, som nogle finder tiltrækkende. Kulsyre har også en mild antibiotisk virkning, der forhindrer bakterier i at vokse i vandet.
Endnu en interessant kemisk sidebemærkning: Indtil for nylig troede forskerne, at kulsyre ikke kunne eksistere af sig selv uden for vand. De troede, at uden det vand, som den normalt er opløst i, ville den straks blive nedbrudt. Men i 2011 lykkedes det forskerne at isolere kulsyre og skabe stabil fast og gasformig kulsyre for første gang. Det er utroligt at tænke på, at der i hver en slurk brusende vand er et stof, som forskerne ikke isolerede før i dette årti. Nogle gange kan selv de banale og dagligdags aspekter af apparaturvidenskab indeholde overraskelser …