Nous faisons sauter le bouchon d’une canette de soda ou fabriquons nos propres sodas sans tenir compte de ce qui se passe à l’intérieur. Mais parfois, il faut s’arrêter et réfléchir, car ces choses qui semblent banales sont plus compliquées que vous ne le pensez. Il y a beaucoup plus de chimie dans les boissons gazeuses que vous ne le pensiez. Jetons un coup d’œil à la science de l’eau gazeuse.
Carbonatation : C’est un gaz
Pour les boissons gazeuses comme les sodas, l’ingrédient actif est le dioxyde de carbone (CO2). Ce gaz incolore et insipide est naturellement présent dans l’atmosphère en petites quantités (environ 0,04 %) et joue un rôle essentiel dans la régulation des températures. C’est l’un des gaz à effet de serre qui absorbe le rayonnement infrarouge du soleil, ce qui contribue à contrôler la quantité de chaleur qui atteint la surface de la Terre. Les humains, les animaux et la plupart des bactéries le respirent, et les plantes l’absorbent et l’utilisent pour fabriquer des sucres dans la photosynthèse, dans un barattage constant connu sous le nom de cycle du carbone.
L’idée de la carbonatation n’est pas nouvelle. La bière existe depuis presque aussi longtemps que l’homme, et ce processus produit du CO2 qui donne à la bière sa mousse. Cependant, ce processus n’a pas été appliqué aux boissons non brassées avant le 18e siècle. Le chimiste anglais Joseph Priestley, qui a découvert l’oxygène, a relié une bouteille d’eau à un tonneau de bière de brassage et a remarqué qu’une partie du gaz produit par le processus se dissolvait dans l’eau et était libéré lorsqu’il ouvrait la bouteille. Le CO2 n’avait pas encore été identifié à l’époque, il l’a donc appelé air fixe. Dans le pamphlet que Priestley a publié pour annoncer sa découverte (PDF), il a suggéré que l’eau contenant de l’air fixe ne devenait pas acide comme les autres eaux et qu’elle pouvait avoir des usages médicinaux. Il la décrira plus tard comme sa « plus heureuse invention ».
Les bulles me montent au nez
Alors, comment fonctionne la carbonatation ? Le processus de base consiste à forcer le CO2 à se dissoudre dans l’eau. Cela nécessite deux choses : une température basse et une pression. Le CO2 se dissout beaucoup mieux dans l’eau froide que dans l’eau chaude. À une température d’environ 8°C (45°F), recommandée par la plupart des fabricants de sodas, 1 litre (2,2 pintes) d’eau peut absorber environ 3 grammes (0,1 once) de CO2. À une température ambiante typique de 15°C (60°F), ce chiffre tombe à un peu plus de 2 grammes (0,07 once). La pression est l’autre facteur. Plus la pression du gaz CO2 est élevée, plus il se dissout rapidement et complètement dans l’eau. Ainsi, pour carbonater l’eau, on la refroidit puis on applique du CO2 à haute pression.
Les fabricants de soda utilisent un tube ou une baguette qui s’enfonce dans l’eau lorsqu’ils la carbonatent. Le CO2 se dissout dans l’eau à sa surface, et créer des bulles augmente cette surface et aide à dissoudre plus de CO2. Regarde bien quand tu fais de l’eau gazeuse. Tu peux voir certaines des petites bulles disparaître complètement avant d’atteindre la surface parce que tout le CO2 qui forme la bulle a été dissous.
Après un peu de temps, l’eau aura absorbé autant de CO2 qu’elle le peut. Tant qu’il y a suffisamment de pression dans le gaz CO2 au-dessus de l’eau, le CO2 dissous ne peut pas s’échapper. Les chimistes appellent cela un équilibre : La pression du CO2 gazeux empêche le CO2 dissous dans l’eau de s’échapper, et la quantité de CO2 dissous dans l’eau empêche le gaz de se dissoudre dans l’eau.
Bien que la quantité de CO2 pouvant être dissoute dans l’eau diminue à mesure que la température augmente, cet équilibre se maintient. Les chimistes appellent cela une solution sursaturée : L’eau retient plus de CO2 qu’elle ne pourrait en absorber à cette température. Il n’a nulle part où aller jusqu’à ce que vous ouvriez la bouteille, ou que la pression du gaz brise ou fasse éclater la bouteille. Les bouteilles en plastique et les canettes en métal sont incroyablement solides, mais elles peuvent éclater. Vous verrez ce phénomène si vous laissez une canette de Coca dans une voiture chaude pendant une longue période.
Une bizarrerie de la carbonatation est ce qui se passe si vous congelez une boisson gazeuse : La bouteille ou la canette éclate généralement. Étant donné que l’eau froide contient plus de CO2 que l’eau chaude, on pourrait s’attendre à ce que le contraire se produise. Mais l’eau froide et la glace ne sont pas la même chose, et le CO2 n’est pas soluble dans la glace. Lorsque vous congelez une bouteille de soda, l’eau gèle et expulse le CO2. Cela crée une énorme pression de gaz à l’intérieur de la canette. La combinaison de cette pression et de l’expansion de la glace (qui est moins dense que l’eau) finit par faire éclater la bouteille ou la canette. C’est pourquoi on ne congèle pas les sodas.
Cela explique aussi l’efficacité de donner à quelqu’un une canette de soda qui a été un peu au congélateur pour qu’elle jaillisse lorsqu’il l’ouvre. Le soda presque congelé pousse le CO2 vers l’extérieur, ce qui crée la pression nécessaire pour que la farce fonctionne.
Lorsque vous ouvrez une canette ou une bouteille de soda, vous rompez l’équilibre. Le gaz se précipite vers l’extérieur et réduit la pression à la surface de l’eau. Soudain, le CO2 dissous dans l’eau a un endroit où aller, donc il commence à s’échapper. Mais il ne se contente pas de s’échapper par le haut. De petites bulles se forment et grossissent à mesure qu’elles s’élèvent. C’est parce que ces bulles sont de petites surfaces dans l’eau, et une plus grande partie du CO2 s’y engouffre à mesure qu’elles s’élèvent.
Ces bulles ne se forment pas n’importe où, cependant. Elles commencent généralement à la surface du verre, de la bouteille ou de la canette dans laquelle se trouve la boisson, car de minuscules imperfections de la surface forment un endroit où les minuscules bulles de démarrage peuvent se former. C’est pourquoi vous voyez des courants de bulles s’élever : Les bulles se forment sur ces imperfections jusqu’à ce qu’elles soient assez grosses pour se détacher et s’élever, et une nouvelle bulle se forme sur l’imperfection, et ainsi de suite.
C’est aussi la raison pour laquelle le tour de passe-passe consistant à créer une fontaine de soda en laissant tomber une menthe dans une bouteille fonctionne, car la surface de la menthe est couverte d’imperfections, ce qui crée une ruée soudaine de bulles et une fontaine de soda.
Tout sur l’acide
La carbonatation ne concerne pas seulement les bulles, cependant. Le processus modifie également le goût de l’eau en créant une saveur vive et acidulée qui peut compléter certaines boissons. Ce que vous ne savez peut-être pas, c’est que ce phénomène est causé par un acide. Lorsque le CO2 se dissout dans l’eau, une partie de celui-ci réagit avec l’eau (dont la formule chimique est H20) pour former de l’acide carbonique (formule chimique H2CO3). Il s’agit d’un acide assez faible, mais qui joue un rôle important dans le processus car il donne à l’eau gazeuse le mordant que certains lui trouvent. L’acide carbonique a également un léger effet antibiotique qui empêche les bactéries de se développer dans l’eau.
Un autre aparté chimique intéressant : Jusqu’à récemment, les scientifiques pensaient que l’acide carbonique ne pouvait pas exister par lui-même en dehors de l’eau. Ils pensaient que, sans l’eau dans laquelle il est normalement dissous, il se décomposerait immédiatement. Mais en 2011, les scientifiques ont réussi à isoler l’acide carbonique et à créer de l’acide carbonique solide et gazeux stable pour la première fois. Il est étonnant de penser que dans chaque gorgée d’eau gazeuse, il y a une substance que les scientifiques n’ont pas isolée avant cette décennie. Parfois, même les aspects banals et quotidiens de la science des appareils peuvent contenir des surprises…