Apriamo il tappo di una lattina di soda o facciamo le nostre bibite senza considerare cosa succede dentro. Ma a volte, è necessario fermarsi a pensare, perché queste cose che sembrano banali sono più complicate di quanto si possa pensare. C’è molta più chimica nelle bevande gassate di quanto si possa pensare. Diamo un’occhiata alla scienza dell’acqua frizzante.
Carbonatazione: È un gas
Per le bevande frizzanti come la soda, l’ingrediente attivo è l’anidride carbonica (CO2). Questo gas incolore e insapore è naturalmente presente nell’atmosfera in piccole quantità (circa 0,04%) e gioca un ruolo fondamentale nella regolazione delle temperature. È uno dei gas serra che assorbe la radiazione infrarossa dal sole, il che aiuta a controllare la quantità di calore che raggiunge la superficie della Terra. Gli esseri umani, gli animali e la maggior parte dei batteri lo respirano, e le piante lo assorbono e lo usano per costruire zuccheri nella fotosintesi, in una costante rotazione nota come ciclo del carbonio.
L’idea della carbonatazione non è nuova. La birra esiste quasi da quando esiste l’uomo, e questo processo produce CO2 che dà alla birra la sua testa schiumosa. Tuttavia, questo processo non è stato applicato alle bevande non prodotte fino al 18° secolo. Il chimico inglese Joseph Priestley, lo scopritore dell’ossigeno, collegò una bottiglia d’acqua a un fusto di birra e notò che parte del gas prodotto dal processo si dissolveva nell’acqua e veniva rilasciato quando apriva la bottiglia. Il CO2 non era stato identificato all’epoca, così lo chiamò aria fissa. Nell’opuscolo che Priestley pubblicò per annunciare la sua scoperta (PDF), suggerì che l’acqua con aria fissa non diventava acida come le altre acque e che poteva avere usi medicinali. In seguito la descrisse come la sua “invenzione più felice”.
Le bolle mi salgono al naso
Allora, come funziona la carbonatazione? Il processo di base è forzare la CO2 a dissolversi nell’acqua. Questo ha bisogno di due cose: bassa temperatura e pressione. La CO2 si dissolve molto meglio in acqua fredda che in acqua calda. A una temperatura di circa 45°F (circa 8°C) che la maggior parte dei produttori di soda raccomandano, 2,2 pinte (1 litro) di acqua possono assorbire circa 0,1 once (3 grammi) di CO2. A una tipica temperatura ambiente di 60°F (circa 15°C), questo scende a poco più di 0,07 once (circa 2 grammi). La pressione è l’altro fattore. Più alta è la pressione del gas CO2, più velocemente e completamente si dissolverà nell’acqua. Quindi, per carbonare l’acqua, la si raffredda e poi si applica CO2 ad alta pressione.
I produttori di soda usano un tubo o una bacchetta che penetra nell’acqua quando la carbonano. La CO2 si dissolve nell’acqua sulla sua superficie, e la creazione di bolle aumenta quest’area e aiuta più CO2 a dissolversi. Guarda attentamente quando fai l’acqua frizzante. Puoi vedere alcune delle piccole bolle scomparire completamente prima che colpiscano la superficie perché tutta la CO2 che forma la bolla è stata dissolta.
Dopo un po’ di tempo, l’acqua avrà assorbito tutta la CO2 possibile. Finché c’è abbastanza pressione nel gas CO2 sopra l’acqua, la CO2 dissolta non può uscire. I chimici chiamano questo un equilibrio: La pressione del gas CO2 impedisce alla CO2 dissolta nell’acqua di fuoriuscire, e la quantità di CO2 dissolta nell’acqua impedisce al gas di dissolversi nell’acqua.
Anche se la quantità di CO2 che può essere dissolta nell’acqua diminuisce all’aumentare della temperatura, questo equilibrio regge ancora. I chimici chiamano questa soluzione supersatura: L’acqua sta trattenendo più CO2 di quella che assorbirebbe a quella temperatura. Non ha un posto dove andare finché non si apre la bottiglia, o la pressione del gas non rompe o fa scoppiare la bottiglia. Le bottiglie di plastica e le lattine di metallo sono incredibilmente forti, ma scoppiano. Vedrai questo fenomeno se lasci una lattina di Coca Cola in un’auto calda per molto tempo.
Una strana stranezza della carbonatazione è quello che succede se congeli una bevanda gassata: La bottiglia o la lattina di solito scoppia. Dato che l’acqua fredda trattiene più CO2 di quella calda, ci si potrebbe aspettare che accada il contrario. Ma l’acqua fredda e il ghiaccio non sono la stessa cosa, e la CO2 non è solubile nel ghiaccio. Quando si congela una bottiglia di soda, l’acqua si congela e spinge fuori la CO2. Questo crea un’enorme pressione di gas all’interno della lattina. Alla fine, la combinazione di questa pressione e l’espansione del ghiaccio (che è meno denso dell’acqua) farà scoppiare la bottiglia o la lattina. Questo è il motivo per cui non si congelano le bibite.
Si spiega anche l’efficacia di dare a qualcuno una lattina di soda che è stata nel congelatore per un po’, in modo che sgorghi quando la si apre. La soda quasi congelata sta spingendo fuori la CO2, che crea la pressione per far funzionare lo scherzo.
Quando si apre una lattina o una bottiglia di soda, si rompe l’equilibrio. Il gas si precipita fuori e riduce la pressione sulla superficie dell’acqua. Improvvisamente, la CO2 disciolta nell’acqua ha un posto dove andare, quindi inizia a uscire. Non esce semplicemente dalla parte superiore, però. Si formano piccole bolle che diventano più grandi man mano che salgono. Questo perché queste bolle sono piccole superfici nell’acqua, e più CO2 si precipita dentro mentre salgono.
Queste bolle non si formano ovunque, però. Di solito iniziano sulla superficie del bicchiere, della bottiglia o della lattina in cui si trova la bevanda, perché le piccole imperfezioni della superficie formano un punto in cui si formano le piccole bolle di avviamento. Ecco perché si vedono flussi di bolle che salgono verso l’alto: Le bolle si formano su queste imperfezioni finché non sono abbastanza grandi da staccarsi e salire, e una nuova bolla si forma sull’imperfezione, e così via.
Questo è anche il motivo per cui il trucco da festa di creare una fontana di soda facendo cadere una mentina in una bottiglia funziona, perché la superficie della mentina è coperta di imperfezioni, che crea un improvviso flusso di bolle e una fontana di soda.
Tutto sull’acido
La carbonatazione non riguarda solo le bolle, però. Il processo cambia anche il gusto dell’acqua, creando un sapore acuto e piccante che può completare alcune bevande. Quello che forse non capite è che questo è causato da un acido. Quando la CO2 si dissolve nell’acqua, una parte di essa reagisce con l’acqua (con una formula chimica di H20) per formare acido carbonico (formula chimica H2CO3). Questo è un acido abbastanza debole, ma è una parte importante del processo perché dà all’acqua frizzante il morso che alcuni trovano attraente. L’acido carbonico ha anche un leggero effetto antibiotico che impedisce ai batteri di crescere nell’acqua.
Un altro interessante aspetto chimico: Fino a poco tempo fa, gli scienziati pensavano che l’acido carbonico non potesse esistere da solo fuori dall’acqua. Pensavano che, senza l’acqua in cui è normalmente disciolto, si sarebbe immediatamente disgregato. Ma nel 2011, gli scienziati sono riusciti a isolare l’acido carbonico e a creare per la prima volta acido carbonico solido e gassoso stabile. È incredibile pensare che in ogni sorso di acqua frizzante ci sia una sostanza che gli scienziati non hanno isolato fino a questo decennio. A volte, anche gli aspetti banali e quotidiani della scienza degli apparecchi possono contenere sorprese…
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