Avaamme limsatölkin korkin tai valmistamme itse limsaa miettimättä, mitä sisällä tapahtuu. Joskus on kuitenkin pysähdyttävä miettimään, sillä nämä arkipäiväisiltä tuntuvat asiat ovat monimutkaisempia kuin luulisi. Hapotetuissa juomissa tapahtuu paljon enemmän kemiaa kuin olet ehkä luullutkaan. Tutustutaanpa kuohuveden tieteeseen.
Hiilihapotus: Se on kaasu
Limonadin kaltaisissa hiilihapotetuissa juomissa aktiivinen ainesosa on hiilidioksidi (CO2). Tätä väritöntä, mautonta kaasua esiintyy luonnostaan ilmakehässä pieniä määriä (noin 0,04 prosenttia), ja sillä on ratkaiseva rooli lämpötilojen säätelyssä. Se on yksi kasvihuonekaasuista, joka absorboi auringon infrapunasäteilyä, mikä auttaa säätelemään maapallon pinnalle pääsevän lämmön määrää. Ihmiset, eläimet ja useimmat bakteerit hengittävät sitä ulos, ja kasvit imevät sitä ja käyttävät sitä rakentaakseen sokereita fotosynteesissä, hiilen kiertokuluksi kutsutussa jatkuvassa pyörityksessä.
Ajatus hiilidioksidin muodostumisesta ei ole uusi. Olutta on ollut olemassa lähes yhtä kauan kuin ihmisiä, ja tämä prosessi tuottaa hiilidioksidia, joka antaa oluelle sen vaahtoavan pään. Prosessia sovellettiin kuitenkin vasta 1700-luvulla myös muihin kuin panimo-juomiin. Hapen löytäjä, englantilainen kemisti Joseph Priestley liitti vesipullon oluttynnyriin ja huomasi, että osa prosessin tuottamasta kaasusta liukeni veteen ja vapautui, kun hän avasi pullon. Hiilidioksidia ei ollut tuolloin vielä tunnistettu, joten hän kutsui sitä kiinteäksi ilmaksi. Pamfletissa, jonka Priestley julkaisi ilmoittaakseen löydöstään (PDF), hän esitti, että kiinteää ilmaa sisältävä vesi ei happamoitu kuten muu vesi ja että sillä voisi olla lääkinnällisiä käyttötarkoituksia. Myöhemmin hän kuvaili sitä ”onnellisimmaksi keksinnöksi”
Kuplat nousevat nenään
Miten hiilihapotus siis toimii? Perusprosessi on hiilidioksidin pakottaminen liukenemaan veteen. Tähän tarvitaan kaksi asiaa: matala lämpötila ja paine. CO2 liukenee paljon paremmin kylmään kuin kuumaan veteen. Noin 8 °C:n lämpötilassa, jota useimmat limuviinanvalmistajat suosittelevat, 2,2 tuoppia (1 litra) vettä voi absorboida noin 0,1 unssia (3 grammaa) CO2:ta. Tyypillisessä huoneenlämmössä, joka on noin 15 °C (60 °F), tämä määrä laskee hieman yli 0,07 unssin (noin 2 grammaan). Paine on toinen tekijä. Mitä korkeampi CO2-kaasun paine on, sitä nopeammin ja täydellisemmin se liukenee veteen. Veden hiilihapottamiseksi vesi siis jäähdytetään ja sitten käytetään korkeapaineista hiilidioksidia.
Limuviinanvalmistajat käyttävät hiilihapotettaessa vettä letkua tai sauvaa, joka työnnetään veteen. Hiilidioksidi liukenee veteen sen pinnalla, ja kuplien luominen kasvattaa tätä aluetta ja auttaa liukenemaan enemmän hiilidioksidia. Katso tarkkaan, kun teet kuohuvaa vettä. Voit nähdä joidenkin pienten kuplien häviävän kokonaan ennen kuin ne nousevat pintaan, koska kaikki kuplan muodostava CO2 on liuennut.
Vähän ajan kuluttua vesi on imenyt itseensä niin paljon CO2:ta kuin se pystyy. Niin kauan kuin veden yläpuolella olevassa CO2-kaasussa on riittävä paine, liuennut CO2 ei pääse karkaamaan. Kemistit kutsuvat tätä tasapainotilaksi: CO2-kaasun paine estää veteen liuenneen CO2:n karkaamisen, ja veteen liuenneen CO2:n määrä estää kaasua liukenemasta veteen.
Vaikka veteen liukenevan hiilidioksidin määrä vähenee lämpötilan noustessa, tasapaino säilyy. Kemistit kutsuvat tätä ylikylläiseksi liuokseksi: Veteen sitoutuu enemmän hiilidioksidia kuin se sitoisi kyseisessä lämpötilassa. Se ei pääse minnekään, ennen kuin pullo avataan tai kaasun paine rikkoo tai puhkaisee pullon. Muovipullot ja metallitölkit ovat uskomattoman vahvoja, mutta ne puhkeavat. Näet tämän ilmiön, jos jätät Coca-Cola-tölkin pitkäksi aikaa kuumaan autoon.
Eräs hiilihapotuksen outo omituisuus on se, mitä tapahtuu, jos hiilihapotetun juoman jäädyttää: Pullo tai tölkki yleensä puhkeaa. Koska kylmässä vedessä on enemmän hiilidioksidia kuin lämpimässä, voisi olettaa, että tapahtuisi päinvastoin. Kylmä vesi ja jää eivät kuitenkaan ole sama asia, eikä CO2 liukene jäähän. Kun jäädytät limsapullon, vesi jäätyy ja pakottaa CO2:n ulos. Tämä luo tölkin sisälle valtavan kaasunpaineen. Lopulta tämän paineen ja jään (joka on vähemmän tiheää kuin vesi) laajenemisen yhdistelmä puhkaisee pullon tai tölkin. Siksi limsoja ei jäädytetä.
Se selittää myös sen, miksi on tehokasta antaa jollekin limsatölkki, joka on ollut pakastimessa vähän aikaa, niin että se pursuaa ulos, kun se avataan. Lähes jäätyvä sooda työntää hiilidioksidia ulos, mikä luo paineen, jotta kepponen toimii.
Kun avaat tölkin tai limsapullon, rikot tasapainon. Kaasu syöksyy ulos ja vähentää veden pinnan painetta. Yhtäkkiä veteen liuenneella hiilidioksidilla on jokin paikka minne mennä, joten se alkaa karata. Se ei kuitenkaan ryntää ulos vain yläosasta. Muodostuu pieniä kuplia, jotka kasvavat suuremmiksi noustessaan. Tämä johtuu siitä, että nämä kuplat ovat pieniä pintoja vedessä, ja niiden noustessa yhä enemmän hiilidioksidia syöksyy sisään.
Nämä kuplat eivät kuitenkaan muodostu ihan mihin tahansa. Ne alkavat yleensä sen lasin, pullon tai tölkin pinnalta, jossa juoma on, koska pinnan pienet epätäydellisyydet muodostavat paikan, johon pienet aloituskuplat voivat muodostua. Siksi näet kuplavirtoja nousevan ylöspäin: Kuplia muodostuu näihin epätäydellisyyksiin, kunnes ne ovat niin suuria, että ne irtoavat ja nousevat ylös, ja uusi kupla muodostuu epätäydellisyyteen, ja niin edelleen.
Tämän vuoksi toimii myös juhlatemppu, jossa luodaan soodalähde pudottamalla minttupastilli pulloon, koska minttupastillin pinnalla on epätäydellisyyksiä, jolloin syntyy yhtäkkinen kuplavyöry ja soodalähde.
All about the acid
Hiilihapotuksessa ei kuitenkaan ole kyse vain kuplista. Prosessi muuttaa myös veden makua luomalla terävän, kirpeän maun, joka voi täydentää joitakin juomia. Et ehkä ymmärrä, että tämä johtuu haposta. Kun hiilidioksidi liukenee veteen, osa siitä reagoi veden kanssa (jonka kemiallinen kaava on H20) muodostaen hiilihappoa (kemiallinen kaava H2CO3). Tämä on melko heikko happo, mutta se on tärkeä osa prosessia, koska se antaa hiilihapotetulle vedelle joidenkin mielestä houkuttelevan purevuuden. Hiilihapolla on myös lievä antibioottivaikutus, joka estää bakteerien kasvua vedessä.
Toinen mielenkiintoinen kemiallinen sivuseikka: Viime aikoihin asti tutkijat luulivat, että hiilihappoa ei voi olla olemassa yksinään veden ulkopuolella. He ajattelivat, että ilman vettä, johon se normaalisti liukenee, se hajoaisi välittömästi. Mutta vuonna 2011 tutkijat onnistuivat eristämään hiilihapon ja luomaan ensimmäistä kertaa vakaata kiinteää ja kaasumaista hiilihappoa. On hämmästyttävää ajatella, että jokaisessa hiilihapotetun veden kulauksessa on aine, jota tutkijat eristivät vasta tällä vuosikymmenellä. Joskus jopa laitetieteen arkiset ja jokapäiväiset asiat voivat sisältää yllätyksiä…