Wir machen den Deckel einer Dose Limonade auf oder stellen unsere eigene Limonade her, ohne darüber nachzudenken, was im Inneren vor sich geht. Aber manchmal muss man innehalten und nachdenken, denn diese scheinbar alltäglichen Dinge sind komplizierter, als man vielleicht denkt. In kohlensäurehaltigen Getränken steckt viel mehr Chemie, als Sie vielleicht gedacht haben. Werfen wir einen Blick auf die Wissenschaft des kohlensäurehaltigen Wassers.
Kohlensäure: Es ist ein Gas
Bei kohlensäurehaltigen Getränken wie Limonade ist der aktive Bestandteil Kohlendioxid (CO2). Dieses farblose, geschmacklose Gas ist in der Atmosphäre in geringen Mengen (etwa 0,04 Prozent) natürlich vorhanden und spielt eine wichtige Rolle bei der Temperaturregulierung. Es ist eines der Treibhausgase, die die Infrarotstrahlung der Sonne absorbieren und so dazu beitragen, die Wärmemenge zu kontrollieren, die die Erdoberfläche erreicht. Menschen, Tiere und die meisten Bakterien atmen es aus, und Pflanzen nehmen es auf und verwenden es zur Bildung von Zucker in der Photosynthese, in einem ständigen Kreislauf, der als Kohlenstoffzyklus bekannt ist.
Die Idee der Karbonisierung ist nicht neu. Bier gibt es schon fast so lange wie den Menschen, und bei diesem Prozess entsteht CO2, das dem Bier seine Schaumkrone verleiht. Allerdings wurde dieses Verfahren erst im 18. Jahrhundert auf nicht gebraute Getränke angewandt. Der englische Chemiker Joseph Priestley, der Entdecker des Sauerstoffs, schloss eine Wasserflasche an ein Fass mit Bier an und bemerkte, dass sich ein Teil des durch den Prozess erzeugten Gases im Wasser auflöste und freigesetzt wurde, als er die Flasche öffnete. CO2 war zu diesem Zeitpunkt noch nicht identifiziert worden, weshalb er es als feste Luft bezeichnete. In der Broschüre, die Priestley zur Bekanntgabe seiner Entdeckung veröffentlichte (PDF), wies er darauf hin, dass Wasser mit gebundener Luft nicht sauer wird wie anderes Wasser und dass es möglicherweise medizinische Verwendung findet. Später bezeichnete er es als seine „glücklichste Erfindung“
Die Blasen steigen mir in die Nase
Wie funktioniert also die Karbonisierung? Der grundlegende Prozess besteht darin, CO2 zur Auflösung in Wasser zu zwingen. Dazu braucht man zwei Dinge: niedrige Temperatur und Druck. CO2 löst sich in kaltem Wasser viel besser auf als in heißem. Bei einer Temperatur von etwa 8°C (45°F), die von den meisten Limonadenherstellern empfohlen wird, können 1 Liter Wasser etwa 3 Gramm CO2 aufnehmen. Bei einer typischen Raumtemperatur von ca. 15°C (60°F) sinkt dieser Wert auf etwas mehr als 2 Gramm (0,07 ounces). Der andere Faktor ist der Druck. Je höher der Druck des CO2-Gases ist, desto schneller und vollständiger löst es sich im Wasser auf. Um Wasser mit Kohlensäure zu versetzen, kühlt man es ab und setzt dann CO2 unter hohem Druck ein.
Sodahersteller verwenden einen Schlauch oder Stab, der in das Wasser gestochen wird, wenn sie es mit Kohlensäure versetzen. Das CO2 löst sich an der Oberfläche des Wassers auf, und durch die Erzeugung von Blasen wird diese Fläche vergrößert, so dass sich mehr CO2 auflösen kann. Schau genau hin, wenn du Sprudelwasser herstellst. Du kannst sehen, dass einige der kleinen Blasen verschwinden, bevor sie an die Oberfläche kommen, weil das gesamte CO2, das die Blase bildet, aufgelöst wurde.
Nach einiger Zeit hat das Wasser so viel CO2 aufgenommen, wie es aufnehmen kann. Solange der Druck im CO2-Gas über dem Wasser hoch genug ist, kann das gelöste CO2 nicht entweichen. Chemiker nennen dies ein Gleichgewicht: Der Druck des CO2-Gases verhindert, dass das im Wasser gelöste CO2 entweicht, und die Menge des im Wasser gelösten CO2 verhindert, dass sich das Gas im Wasser auflöst.
Obwohl die Menge des CO2, die im Wasser gelöst werden kann, mit steigender Temperatur abnimmt, bleibt dieses Gleichgewicht bestehen. Chemiker nennen dies eine übersättigte Lösung: Das Wasser hält mehr CO2 zurück, als es bei dieser Temperatur aufnehmen würde. Es kann nirgendwo hin, bis Sie die Flasche öffnen oder der Druck des Gases die Flasche zum Platzen bringt. Plastikflaschen und Metalldosen sind unglaublich stabil, aber sie platzen auch. Man kann dieses Phänomen beobachten, wenn man eine Dose Cola lange Zeit in einem heißen Auto stehen lässt.
Eine seltsame Eigenart der Kohlensäure ist das, was passiert, wenn man ein kohlensäurehaltiges Getränk einfriert: Die Flasche oder Dose platzt in der Regel. Da kaltes Wasser mehr CO2 enthält als warmes, könnte man das Gegenteil erwarten. Aber kaltes Wasser und Eis sind nicht dasselbe, und CO2 ist in Eis nicht löslich. Wenn man eine Limonadenflasche einfriert, gefriert das Wasser und verdrängt das CO2. Dadurch entsteht im Inneren der Dose ein enormer Gasdruck. Die Kombination aus diesem Druck und der Ausdehnung des Eises (das eine geringere Dichte als Wasser hat) führt schließlich zum Bersten der Flasche oder Dose. Das ist der Grund, warum man Limonaden nicht einfriert.
Es erklärt auch die Wirksamkeit, wenn man jemandem eine Dose Limonade gibt, die eine Weile im Gefrierschrank gelegen hat, so dass sie beim Öffnen heraussprudelt. Die fast gefrorene Limonade drückt das CO2 heraus, wodurch der Druck entsteht, der den Streich wirksam werden lässt.
Wenn man eine Dose oder Flasche Limonade öffnet, bricht man das Gleichgewicht. Das Gas strömt aus und verringert den Druck an der Wasseroberfläche. Plötzlich muss das im Wasser gelöste CO2 irgendwohin, also beginnt es zu entweichen. Es strömt jedoch nicht einfach oben heraus. Es bilden sich kleine Blasen, die beim Aufsteigen immer größer werden. Das liegt daran, dass diese Blasen kleine Oberflächen im Wasser sind und mehr CO2 einströmt, wenn sie aufsteigen.
Diese Blasen bilden sich aber nicht einfach irgendwo. Sie beginnen in der Regel an der Oberfläche des Glases, der Flasche oder der Dose, in der sich das Getränk befindet, weil winzige Unebenheiten in der Oberfläche eine Stelle bilden, an der sich die winzigen Startblasen bilden können. Deshalb sieht man Ströme von Blasen aufsteigen: Bläschen bilden sich auf diesen Unebenheiten, bis sie groß genug sind, um abzubrechen und aufzusteigen, und ein neues Bläschen bildet sich auf der Unebenheit, und so weiter.
Aus diesem Grund funktioniert auch der Partytrick, eine Minze in eine Flasche zu werfen, um einen Sodabrunnen zu erzeugen, denn die Oberfläche der Minze ist mit Unebenheiten bedeckt, die einen plötzlichen Blasenansturm und einen Sodabrunnen erzeugen.
Alles über die Säure
Bei der Karbonisierung geht es aber nicht nur um Blasen. Der Prozess verändert auch den Geschmack des Wassers, indem er einen scharfen, würzigen Geschmack erzeugt, der einige Getränke ergänzen kann. Was Sie vielleicht nicht wissen, ist, dass dies durch eine Säure verursacht wird. Wenn sich das CO2 im Wasser auflöst, reagiert ein Teil davon mit dem Wasser (mit der chemischen Formel H20) und bildet Kohlensäure (chemische Formel H2CO3). Dies ist eine ziemlich schwache Säure, aber sie ist ein wichtiger Teil des Prozesses, weil sie dem Sprudelwasser den Biss verleiht, den manche Menschen so anziehend finden. Kohlensäure hat auch eine milde antibiotische Wirkung, die das Wachstum von Bakterien im Wasser verhindert.
Ein weiterer interessanter chemischer Aspekt: Bis vor kurzem dachten Wissenschaftler, dass Kohlensäure außerhalb von Wasser nicht existieren kann. Sie dachten, dass sie sich ohne das Wasser, in dem sie normalerweise gelöst ist, sofort zersetzen würde. Doch 2011 gelang es Wissenschaftlern, Kohlensäure zu isolieren und erstmals stabile feste und gasförmige Kohlensäure herzustellen. Es ist erstaunlich, dass in jedem Schluck Sprudelwasser eine Substanz steckt, die Wissenschaftler erst in diesem Jahrzehnt isoliert haben. Manchmal können selbst die banalen und alltäglichen Aspekte der Gerätewissenschaft Überraschungen enthalten…