Úgy pattintjuk fel egy üdítős doboz tetejét, vagy készítünk magunknak üdítőt, hogy nem gondolunk arra, mi történik benne. De néha meg kell állni és elgondolkodni, mert ezek a hétköznapinak tűnő dolgok sokkal bonyolultabbak, mint gondolnánk. A szénsavas italokban sokkal több kémiai folyamat zajlik, mint gondolnánk. Vessünk egy pillantást a szénsavas víz tudományára.
Karbonizáció: Ez egy gáz
A szénsavas italok, például a szóda esetében a hatóanyag a szén-dioxid (CO2). Ez a színtelen, íztelen gáz a természetben kis mennyiségben (körülbelül 0,04 százalékban) van jelen a légkörben, és döntő szerepet játszik a hőmérséklet szabályozásában. Ez az egyik üvegházhatású gáz, amely elnyeli a Nap infravörös sugárzását, ami segít szabályozni a Föld felszínére jutó hőmennyiséget. Az emberek, az állatok és a legtöbb baktérium kilélegzik, a növények pedig elnyelik, és a fotoszintézis során cukrok építésére használják fel, a szénciklusnak nevezett állandó kavargásban.
A szén-dioxid-képződés ötlete nem új. A sör majdnem olyan régóta létezik, mint az emberiség, és ez a folyamat CO2-t termel, amely a sör habos fejét adja. Ezt a folyamatot azonban a 18. századig nem alkalmazták nem főzött italokra. Joseph Priestley angol kémikus, az oxigén felfedezője egy üveg vizet csatlakoztatott egy hordó sörhöz, és észrevette, hogy a folyamat során keletkező gáz egy része feloldódott a vízben, és az üveg kinyitásakor felszabadult. A CO2-t akkoriban még nem azonosították, ezért fix levegőnek nevezte el. A felfedezésének bejelentésére kiadott röpiratban (PDF) Priestley felvetette, hogy a fixált levegőjű víz nem savanyodik meg, mint más víz, és hogy gyógyászati célokra is felhasználható. Később “legboldogabb találmányának” nevezte.”
A buborékok felszállnak az orromba
Szóval, hogyan működik a szénsavasítás? Az alapvető folyamat a CO2 vízben való oldódásának kikényszerítése. Ehhez két dolog kell: alacsony hőmérséklet és nyomás. A CO2 sokkal jobban oldódik hideg vízben, mint melegben. A legtöbb szódagyártó által ajánlott kb. 8 °C-os hőmérsékleten 2,2 pint (1 liter) víz körülbelül 0,1 uncia (3 gramm) CO2-t képes felszívni. Egy tipikus 60°F (kb. 15°C) szobahőmérsékleten ez az érték alig több mint 0,07 unciára (kb. 2 gramm) csökken. A másik tényező a nyomás. Minél nagyobb a CO2-gáz nyomása, annál gyorsabban és teljesebben oldódik a vízben. A víz szénsavasításához tehát lehűtjük a vizet, majd nagy nyomású CO2-t alkalmazunk.
A szódakészítők szénsavasításkor egy csövet vagy pálcát használnak, amelyet a vízbe dugnak. A CO2 a víz felszínén oldódik a vízben, és a buborékok létrehozása növeli ezt a területet, így több CO2 oldódik benne. Nézd meg alaposan, amikor szénsavas vizet készítesz. Láthatod, hogy néhány kis buborék teljesen eltűnik, mielőtt a felszínre érne, mert a buborékot alkotó összes CO2 feloldódott.
Egy kis idő elteltével a víz annyi CO2-t vesz fel, amennyit csak tud. Amíg a víz fölött a CO2-gázban elegendő nyomás van, addig az oldott CO2 nem tud kiszabadulni. Ezt nevezik a kémikusok egyensúlyi állapotnak: A CO2-gáz nyomása megakadályozza, hogy a vízben oldott CO2 kiszabaduljon, és a vízben oldott CO2 mennyisége megakadályozza, hogy a gáz feloldódjon a vízben.
Bár a vízben oldható CO2 mennyisége a hőmérséklet emelkedésével csökken, ez az egyensúly továbbra is fennáll. A kémikusok ezt túltelített oldatnak nevezik: A víz több CO2-t tart vissza, mint amennyit az adott hőmérsékleten el tudna nyelni. Nincs hová mennie, amíg ki nem nyitjuk a palackot, vagy a gáz nyomása miatt a palack el nem törik vagy szét nem reped. A műanyag palackok és a fémdobozok hihetetlenül erősek, de elpattannak. Ezt a jelenséget láthatjuk, ha egy doboz kólát hosszú időre a forró autóban hagyunk.
A szénsavasodás egyik furcsa furcsasága, hogy mi történik, ha egy szénsavas italt lefagyasztunk: A palack vagy a doboz általában kipukkad. Tekintettel arra, hogy a hideg víz több CO2-t tartalmaz, mint a meleg, az ellenkezőjére számíthatnánk. De a hideg víz és a jég nem ugyanaz, és a CO2 nem oldódik a jégben. Amikor lefagyasztunk egy üveg üdítőt, a víz megfagy, és kiszorítja a CO2-t. Ez hatalmas gáznyomást hoz létre a doboz belsejében. Végül ennek a nyomásnak és a jég tágulásának (amely kisebb sűrűségű, mint a víz) a kombinációja szétrepeszti az üveget vagy a dobozt. Ezért nem fagyasztjuk le az üdítőket.
Ez megmagyarázza azt is, hogy miért hatékony, ha valakinek olyan üdítősdobozt adunk, ami egy ideig a fagyasztóban volt, így az kiömlik, amikor kinyitják. A majdnem megfagyott szóda kinyomja a CO2-t, ami létrehozza a nyomást ahhoz, hogy a tréfa működjön.
Amikor kinyitsz egy doboz vagy üveg szódát, megbontod az egyensúlyt. A gáz kiáramlik, és csökkenti a vízfelületen lévő nyomást. Hirtelen a vízben oldott CO2-nek van hová mennie, ezért elkezd szökni. De nem csak a tetejéből szökik ki. Kis buborékok képződnek, amelyek felfelé haladva egyre nagyobbak lesznek. Ez azért van, mert ezek a buborékok kis felületek a vízben, és ahogy emelkednek, egyre több CO2 áramlik be.
Ezek a buborékok azonban nem csak úgy bárhol keletkeznek. Általában annak az üvegnek, palacknak vagy konzervdoboznak a felületén kezdődnek, amelyben az ital van, mert a felület apró tökéletlenségei helyet biztosítanak az apró indító buborékok kialakulásának. Ezért látod, hogy buborékpatakok emelkednek felfelé: A buborékok ezeken a tökéletlenségeken képződnek, amíg elég nagyok nem lesznek ahhoz, hogy letörjenek és felemelkedjenek, majd egy új buborék képződik a tökéletlenségen, és így tovább.
Ezért is működik az a partitrükk, hogy szökőkutat hozunk létre úgy, hogy egy mentát dobunk egy üvegbe, mert a menta felületét tökéletlenségek borítják, ami hirtelen buborékokat és szökőkutat hoz létre.
A savról szól
A szénsavasodás azonban nem csak a buborékokról szól. A folyamat a víz ízét is megváltoztatja, mivel éles, fanyar ízt hoz létre, amely egyes italokat kiegészíthet. Amit talán nem tudsz, hogy ezt egy sav okozza. Amikor a CO2 feloldódik a vízben, egy része reakcióba lép a vízzel (amelynek kémiai képlete H20), és szénsavat (kémiai képlete H2CO3) képez. Ez egy meglehetősen gyenge sav, de fontos része a folyamatnak, mert ez adja a szénsavas víznek azt a csípősséget, amelyet egyesek vonzónak találnak. A szénsavnak enyhe antibiotikus hatása is van, amely megakadályozza a baktériumok elszaporodását a vízben.
Még egy érdekes kémiai mellékes: Egészen a közelmúltig a tudósok úgy gondolták, hogy a szénsav nem létezhet önmagában a vízen kívül. Azt gondolták, hogy a víz nélkül, amelyben általában feloldódik, azonnal lebomlana. De 2011-ben a tudósoknak sikerült izolálniuk a szénsavat, és először sikerült stabil szilárd és gáznemű szénsavat előállítaniuk. Elképesztő belegondolni, hogy minden korty szénsavas vízben van egy olyan anyag, amelyet a tudósok csak ebben az évtizedben izoláltak. Néha még a készüléktudomány hétköznapi és hétköznapi vonatkozásai is tartogatnak meglepetéseket…