We drukken de dop van een blikje frisdrank open of maken onze eigen frisdrank zonder na te denken over wat er binnenin gebeurt. Maar soms moet je even stoppen en nadenken, want deze dingen die alledaags lijken, zijn gecompliceerder dan je zou denken. Er zit veel meer chemie in frisdrank dan je zou denken. Laten we eens kijken naar de wetenschap van bruisend water.
Carbonatie: Het is een gas
Voor bruisende dranken zoals frisdrank, is het actieve ingrediënt kooldioxide (CO2). Dit kleurloze, smaakloze gas is van nature in kleine hoeveelheden (ongeveer 0,04 procent) in de atmosfeer aanwezig en speelt een cruciale rol bij het reguleren van de temperatuur. Het is een van de broeikasgassen die infrarode straling van de zon absorbeert, waardoor de hoeveelheid warmte die het aardoppervlak bereikt, wordt gereguleerd. Mensen, dieren en de meeste bacteriën ademen het uit, en planten absorberen het en gebruiken het om suikers te maken in de fotosynthese, in een voortdurende beweging die bekend staat als de koolstofcyclus.
Het idee van carbonatie is niet nieuw. Bier bestaat al bijna zolang als de mens bestaat, en dit proces produceert CO2 dat bier zijn schuimkraag geeft. Dit proces werd echter pas in de 18e eeuw toegepast op niet gebrouwen dranken. De Engelse scheikundige Joseph Priestley, de ontdekker van zuurstof, sloot een fles water aan op een vat brouwbier en merkte dat een deel van het bij het proces geproduceerde gas oploste in het water en vrijkwam toen hij de fles opende. CO2 was op dat moment nog niet geïdentificeerd, dus noemde hij het vaste lucht. In het pamflet dat Priestley uitbracht om zijn ontdekking aan te kondigen (PDF), suggereerde hij dat water met gefixeerde lucht niet zuur werd zoals ander water en dat het mogelijk medicinaal gebruik zou kunnen hebben. Later beschreef hij het als zijn “gelukkigste uitvinding.”
De bubbels gaan mijn neus in
Dus, hoe werkt carbonatie? Het basisproces is CO2 dwingen op te lossen in water. Hiervoor zijn twee dingen nodig: lage temperatuur en druk. CO2 lost veel beter op in koud water dan in warm water. Bij een temperatuur van ongeveer 8°C (45°F), die de meeste frisdrankmakers aanbevelen, kan 1 liter water ongeveer 3 gram CO2 opnemen. Bij een kamertemperatuur van ongeveer 15°C (60°F) is dat iets meer dan 2 gram (0,07 ounce). Druk is de andere factor. Hoe hoger de druk van het CO2-gas, hoe sneller en vollediger het in het water oplost. Om water te carbonateren, koel je het dus af en breng je vervolgens CO2 onder hoge druk aan.
Sodamakers gebruiken een buisje of staafje dat in het water prikt wanneer ze het carbonateren. De CO2 lost op in het water aan de oppervlakte, en het creëren van bubbels vergroot dit oppervlak en helpt meer CO2 op te lossen. Kijk goed wanneer je bruisend water maakt. Je kunt zien dat sommige van de kleine belletjes helemaal verdwijnen voordat ze het oppervlak raken, omdat al het CO2 dat de bel vormt is opgelost.
Na enige tijd zal het water zoveel CO2 hebben opgenomen als het kan. Zolang er voldoende druk in het CO2-gas boven het water is, kan het opgeloste CO2 niet ontsnappen. Scheikundigen noemen dit een evenwicht: De druk van het CO2-gas houdt het in het water opgeloste CO2 tegen om te ontsnappen, en de hoeveelheid CO2 die in het water is opgelost, houdt het gas tegen om in het water op te lossen.
Hoewel de hoeveelheid CO2 die in water kan worden opgelost afneemt als de temperatuur stijgt, zal dit evenwicht nog steeds standhouden. Scheikundigen noemen dit een oververzadigde oplossing: Het water houdt meer CO2 vast dan het bij die temperatuur kan opnemen. Het kan nergens heen totdat je de fles opent, of totdat de druk van het gas de fles breekt of barst. Plastic flessen en metalen blikjes zijn ongelooflijk sterk, maar ze barsten wel. Je ziet dit verschijnsel als je een blikje cola lange tijd in een hete auto laat staan.
Een vreemde eigenaardigheid van carbonatatie is wat er gebeurt als je een koolzuurhoudende drank invriest: De fles of het blikje barst meestal. Aangezien koud water meer CO2 bevat dan warm water, zou je verwachten dat het tegenovergestelde gebeurt. Maar koud water en ijs zijn niet hetzelfde, en CO2 is niet oplosbaar in ijs. Als je een fles frisdrank bevriest, bevriest het water en wordt de CO2 eruit geperst. Dit creëert een enorme gasdruk in het blikje. Uiteindelijk zal de combinatie van deze druk en de uitzetting van het ijs (dat minder dicht is dan water) de fles of het blikje doen barsten. Dat is de reden waarom je frisdrank niet invriest.
Het verklaart ook de effectiviteit van het geven van een blikje frisdrank dat een tijdje in de vriezer heeft gestaan, zodat het eruit gutst als ze het openen. De bijna bevroren frisdrank duwt de CO2 eruit, waardoor de druk ontstaat die nodig is om de grap te laten werken.
Wanneer je een blikje of fles frisdrank opent, verbreek je het evenwicht. Het gas stroomt naar buiten en vermindert de druk op het wateroppervlak. Plotseling moet het in het water opgeloste CO2 ergens heen, dus het begint te ontsnappen. Het ontsnapt echter niet alleen uit de bovenkant. Er vormen zich kleine belletjes die groter worden naarmate ze opstijgen. Dat komt omdat deze belletjes kleine oppervlakken in het water vormen, en meer CO2 naar binnen dringt als ze opstijgen.
Deze belletjes vormen zich echter niet zomaar ergens. Ze beginnen meestal op het oppervlak van het glas, de fles of het blik waar de drank in zit, omdat kleine onvolkomenheden in het oppervlak een plek vormen voor de minuscule startbelletjes om zich te vormen. Daarom zie je stromen bubbels opstijgen: Bellen vormen zich op deze onvolkomenheden tot ze groot genoeg zijn dat ze afbreken en opstijgen, en een nieuwe bel vormt zich op de onvolkomenheid, enzovoort.
Dit is ook de reden waarom de feesttruc om een frisdrankfontein te creëren door een muntje in een fles te laten vallen, werkt, omdat het oppervlak van het muntje bedekt is met onvolkomenheden, waardoor een plotselinge stormloop van bubbels en een fontein van frisdrank ontstaat.
Alles over het zuur
Carbonatie gaat echter niet alleen over bubbels. Het proces verandert ook de smaak van het water door het creëren van een scherpe, pittige smaak die sommige dranken kan aanvullen. Wat je je misschien niet realiseert is dat dit wordt veroorzaakt door een zuur. Wanneer de CO2 in het water oplost, reageert een deel ervan met het water (met een chemische formule van H20) om koolzuur te vormen (chemische formule H2CO3). Dit is een vrij zwak zuur, maar het is een belangrijk onderdeel van het proces omdat het bruisend water de “bite” geeft die sommigen zo aantrekkelijk vinden. Koolzuur heeft ook een mild antibiotisch effect dat voorkomt dat bacteriën in het water groeien.
Nog een interessante chemische kanttekening: Tot voor kort dachten wetenschappers dat koolzuur niet op zichzelf kon bestaan buiten water. Ze dachten dat het, zonder het water waarin het normaal gesproken is opgelost, onmiddellijk zou afbreken. Maar in 2011 slaagden wetenschappers erin om koolzuur te isoleren en voor het eerst stabiel vast en gasvormig koolzuur te maken. Het is verbazingwekkend om te bedenken dat in elke slok bruisend water een stof zit die wetenschappers pas in dit decennium hebben geïsoleerd. Soms kunnen zelfs de mondaine en alledaagse aspecten van de apparaatwetenschap verrassingen bevatten…