私たちは、中で何が起こっているのか考えずに缶の蓋を開け、ソーダを自分で作っています。 しかし、時には立ち止まって考えてみることも必要です。平凡に見えるこれらのことが、意外に複雑なのです。 炭酸飲料には、あなたが思っている以上に多くの化学反応が起こっているのです。 炭酸水の科学を見てみましょう。
炭酸。 気体です
ソーダのような発泡性飲料の場合、有効成分は二酸化炭素（CO2）です。 この無色無味の気体は、大気中に自然に少量（約0.04％）存在し、気温の調節に重要な役割を果たしている。 太陽からの赤外線を吸収する温室効果ガスの一つで、地表に届く熱量をコントロールするのに役立っている。 人間や動物、ほとんどのバクテリアはそれを呼吸し、植物はそれを吸収して光合成で糖を作るのに使い、炭素循環として知られる絶え間ない循環の中で、炭酸というアイデアは新しいものではありません。 ビールは人類とほぼ同じ時代に存在しており、このプロセスによってビールに泡立ちを与えるCO2が生成されます。 しかし、このプロセスを醸造酒以外の飲み物に応用したのは、18世紀になってからです。 酸素の発見者であるイギリスの化学者ジョセフ・プリーストリーは、醸造用ビールの樽に水の入った瓶をつなぎ、瓶を開けると、その過程で発生したガスの一部が水に溶け出し、放出されることに気づいたのである。 当時はまだCO2が確認されていなかったので、彼はこれを固定空気と呼んだ。 プリーストレイは、この発見を発表する際に出したパンフレット（PDF）の中で、固定空気を含んだ水は他の水のように酸っぱくならず、薬として使えるかもしれないと提案した。 後に彼はこれを「最も幸福な発明」と表現しています。
泡が鼻に入る
では、炭酸はどのようにしてできるのでしょうか。 基本的なプロセスは、CO2を強制的に水に溶解させることです。 そのためには、低温と圧力の2つが必要です。 CO2は熱い水より冷たい水の方がよく溶けます。 炭酸飲料メーカーが推奨する約45°F（約8℃）の温度では、2.2パイント（1リットル）の水が約0.1オンス（3グラム）の二酸化炭素を吸収することができます。 一般的な室温である華氏60度（約15℃）では、0.07オンス（約2グラム）強に減少します。 もう一つの要因は圧力です。 炭酸ガスの圧力が高ければ高いほど、炭酸ガスはより速く、より完全に水に溶け込むことができる。
ソーダメーカーが炭酸を入れるときには、水の中に突き刺すチューブやワンドを使用するんですね。 CO2は水の表面に溶け込みますが、泡を作ることでこの部分が増え、より多くのCO2が溶け込みやすくなるのです。 炭酸水を作るときは、よく見てください。 小さな泡が水面に出る前に完全に消えているのがわかると思います。 水面上の炭酸ガスに十分な圧力がある限り、溶解した炭酸ガスは抜け出せません。 化学者たちはこれを平衡と呼んでいる。
水に溶ける CO2 の量は温度が上がると少なくなりますが、この平衡はまだ維持されます。 化学者はこれを過飽和溶液と呼びます。 水は、その温度で吸収されるよりも多くの二酸化炭素を保持しているのです。 ボトルを開けるか、ガスの圧力でボトルが割れるか破裂するまで、行き場がないのだ。 ペットボトルや金属缶は非常に丈夫ですが、破裂することがあります。
炭酸の奇妙な癖の1つは、炭酸飲料を凍らせるとどうなるかということです。 ボトルや缶は通常破裂します。 冷たい水は温かい水より多くのCO2を保持することを考えると、逆のことが起きると思うかもしれません。 しかし、冷水と氷は別物であり、CO2は氷に溶けない。 炭酸飲料のボトルを凍らせると、水が凍り、CO2が押し出されます。 そのため、缶の中には大きなガス圧が発生します。 この圧力と、水より密度が小さい氷の膨張が重なると、瓶や缶は破裂してしまうのです。 ソーダを凍らせないのはそのためです。
また、冷凍庫に少し入れておいたソーダの缶を人に渡して、開けたときに噴出させることの効果も説明しています。 凍りかけたソーダがCO2を押し出し、それがイタズラを成功させる圧力を生み出しているのです。
ソーダの缶や瓶を開けると、均衡が破れます。 ガスがあわてて出てきて、水面の圧力が下がります。 突然、水に溶けていたCO2が行き場を失い、逃げ出すのです。 しかし、ただ単に上部から流れ出るわけではありません。 小さな気泡ができ、それが大きくなりながら上昇します。 これは、気泡が水の中の小さな表面であり、気泡が大きくなるにつれて、より多くのCO2が流れ込んでくるからです。 表面の小さな欠陥が微細なスターターバブルを形成する場所を形成するため、通常、ドリンクが入っているグラス、ボトル、または缶の表面で始まります。 だから、泡が立ち上がるのです。 泡はこの不完全な部分に形成され、十分な大きさになったところで割れて上昇し、その不完全な部分に新たな泡が形成され、それが繰り返されるのです。
ミントをボトルに落としてソーダの噴水を作るというパーティーの手品がうまくいくのもこのためだ。ミントの表面は不完全な部分で覆われているので、突然泡が立ち、ソーダの噴水ができる。 このプロセスは、シャープでピリッとした味を作り出すことで水の味を変え、いくつかの飲み物を引き立てることができます。 これは酸によるものです。 CO2が水に溶けるとき、その一部は水（化学式H20）と反応して炭酸（化学式H2CO3）を生成します。 これはかなり弱い酸ですが、炭酸水の魅力を引き出す重要な役割を担っています。 炭酸はまた、水中のバクテリアの繁殖を防ぐ穏やかな抗生物質としての効果もあります
もうひとつ、興味深い化学的な余談があります。 つい最近まで、炭酸は水の外には存在しないと考えられていました。 炭酸が溶けている水がなければ、すぐに分解してしまうと考えたのです。 しかし2011年、科学者たちは初めて炭酸を単離し、安定した固体と気体の炭酸をつくることに成功したのです。 炭酸水の一口一口に、この10年まで科学者が分離しなかった物質が含まれていると思うと、驚きです。 家電科学のありふれた日常的な部分にも、驚きが隠されていることがあるのです……
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