Pop górę puszki sody lub zrobić nasze własne napoje gazowane bez rozważania, co dzieje się w środku. Ale czasami trzeba się zatrzymać i pomyśleć, bo te rzeczy, które wydają się przyziemne, są bardziej skomplikowane niż mogłoby się wydawać. W napojach gazowanych dzieje się o wiele więcej chemii, niż mogłoby się wydawać. Przyjrzyjmy się nauce o wodzie gazowanej.
Carbonation: To gaz
W przypadku napojów gazowanych, takich jak soda, aktywnym składnikiem jest dwutlenek węgla (CO2). Ten bezbarwny, pozbawiony smaku gaz jest naturalnie obecny w atmosferze w niewielkich ilościach (około 0,04 procent) i odgrywa kluczową rolę w regulacji temperatury. Jest to jeden z gazów cieplarnianych, który pochłania promieniowanie podczerwone ze słońca, co pomaga kontrolować ilość ciepła docierającego do powierzchni Ziemi. Ludzie, zwierzęta i większość bakterii wydychają go, a rośliny wchłaniają go i wykorzystują do budowy cukrów w procesie fotosyntezy, w ciągłym cyklu znanym jako cykl węglowy.
Pomysł saturacji nie jest nowy. Piwo istnieje prawie tak długo, jak ludzie, a proces ten wytwarza CO2, który nadaje piwu pianę. Jednak proces ten nie został zastosowany do napojów niepiwnych aż do XVIII wieku. Angielski chemik Joseph Priestley, odkrywca tlenu, podłączył butelkę wody do beczki z warzonym piwem i zauważył, że część gazu wytwarzanego w tym procesie rozpuściła się w wodzie i została uwolniona po otwarciu butelki. CO2 nie był jeszcze wtedy zidentyfikowany, więc nazwał go stałym powietrzem. W broszurze, którą Priestley wydał, aby ogłosić swoje odkrycie (PDF), zasugerował, że woda z utrwalonym powietrzem nie kwaśnieje jak inna woda i że może mieć zastosowanie lecznicze. Później określił to jako swój „najszczęśliwszy wynalazek.”
Bąbelki wchodzą mi do nosa
Jak więc działa karbonatyzacja? Podstawowym procesem jest zmuszenie CO2 do rozpuszczenia się w wodzie. Do tego potrzebne są dwie rzeczy: niska temperatura i ciśnienie. CO2 rozpuszcza się znacznie lepiej w zimnej wodzie niż w gorącej. W temperaturze około 45°F (około 8°C), którą zaleca większość producentów napojów gazowanych, 2,2 litra wody może wchłonąć około 0,1 uncji (3 gramy) CO2. W typowej temperaturze pokojowej 60°F (ok. 15°C), wartość ta spada do nieco ponad 0,07 uncji (ok. 2 gramów). Innym czynnikiem jest ciśnienie. Im wyższe ciśnienie gazu CO2, tym szybciej i bardziej całkowicie rozpuści się on w wodzie. Tak więc, aby karbonizować wodę, schładzasz ją, a następnie stosujesz CO2 pod wysokim ciśnieniem.
Producenci napojów gazowanych używają rurki lub różdżki, która wbija się w wodę, gdy ją karbonizują. CO2 rozpuszcza się w wodzie na jej powierzchni, a tworzenie bąbelków zwiększa tę powierzchnię i pomaga rozpuścić więcej CO2. Przyjrzyj się uważnie, kiedy robisz wodę gazowaną. Można zauważyć, że niektóre z małych pęcherzyków znikają całkowicie, zanim trafią na powierzchnię, ponieważ cały CO2, który tworzy pęcherzyk, został rozpuszczony.
Po pewnym czasie woda wchłonie tyle CO2, ile może. Tak długo, jak istnieje wystarczające ciśnienie w gazie CO2 nad wodą, rozpuszczony CO2 nie może się wydostać. Chemicy nazywają to równowagą: Ciśnienie gazu CO2 powstrzymuje CO2 rozpuszczony w wodzie przed ucieczką, a ilość CO2 rozpuszczonego w wodzie powstrzymuje ten gaz przed rozpuszczeniem się w wodzie.
Chociaż ilość CO2, którą można rozpuścić w wodzie, maleje wraz ze wzrostem temperatury, ta równowaga nadal będzie się utrzymywać. Chemicy nazywają to roztworem przesyconym: Woda zatrzymuje więcej CO2 niż mogłaby wchłonąć w tej temperaturze. Nie ma dokąd uciec, dopóki nie otworzysz butelki lub ciśnienie gazu nie spowoduje pęknięcia lub rozerwania butelki. Plastikowe butelki i metalowe puszki są niewiarygodnie mocne, ale pękają. Zobaczysz to zjawisko, jeśli zostawisz puszkę Coli w gorącym samochodzie na dłuższy czas.
Jednym z dziwnych dziwactw związanych z karbonatyzacją jest to, co dzieje się, jeśli zamrozisz napój gazowany: Butelka lub puszka zazwyczaj pęka. Biorąc pod uwagę, że zimna woda zawiera więcej CO2 niż ciepła, można by się spodziewać, że będzie odwrotnie. Ale zimna woda i lód to nie to samo, a CO2 nie jest rozpuszczalny w lodzie. Kiedy zamrażasz butelkę napoju gazowanego, woda zamarza i wypycha CO2. Tworzy to ogromne ciśnienie gazu wewnątrz puszki. Ostatecznie, kombinacja tego ciśnienia i ekspansji lodu (który jest mniej gęsty niż woda) spowoduje pęknięcie butelki lub puszki. To dlatego nie zamraża się napojów gazowanych.
To również wyjaśnia skuteczność dawania komuś puszki napoju gazowanego, który był w zamrażarce przez jakiś czas, więc tryska, gdy go otwiera. Prawie zamarzająca soda wypycha CO2 na zewnątrz, co tworzy ciśnienie, aby dowcip zadziałał.
Gdy otwierasz puszkę lub butelkę sody, naruszasz równowagę. Gaz wypływa na zewnątrz i zmniejsza ciśnienie na powierzchni wody. Nagle CO2 rozpuszczony w wodzie ma dokąd uciec, więc zaczyna się ulatniać. Nie wylatuje on jednak tylko z góry. Tworzą się małe bąbelki, które w miarę unoszenia się powiększają się. To dlatego, że te pęcherzyki są małymi powierzchniami w wodzie, a więcej CO2 wdziera się do środka, gdy się podnoszą.
Te pęcherzyki nie tworzą się jednak wszędzie. Zazwyczaj zaczynają się na powierzchni szkła, butelki lub puszki, w której znajduje się napój, ponieważ drobne niedoskonałości powierzchni tworzą miejsce dla drobnych pęcherzyków startowych. Dlatego właśnie widzisz strumienie bąbelków unoszące się do góry: Bąbelki tworzą się na tych niedoskonałościach, aż są na tyle duże, że odrywają się i unoszą w górę, a na niedoskonałości tworzy się nowy bąbelek i tak dalej.
To jest również powód, dla którego imprezowa sztuczka tworzenia fontanny sody przez wrzucenie mięty do butelki działa, ponieważ powierzchnia mięty jest pokryta niedoskonałościami, co powoduje nagły przypływ bąbelków i fontannę sody.
Wszystko o kwasie
Karbonatyzacja to nie tylko bąbelki. Proces ten zmienia również smak wody poprzez tworzenie ostrego, pikantnego smaku, który może uzupełniać niektóre napoje. Być może nie zdajesz sobie sprawy, że jest to spowodowane przez kwas. Kiedy CO2 rozpuszcza się w wodzie, część z niego reaguje z wodą (o wzorze chemicznym H20) tworząc kwas węglowy (wzór chemiczny H2CO3). Jest to dość słaby kwas, ale jest ważną częścią procesu, ponieważ nadaje wodzie gazowanej smak, który niektórzy uważają za atrakcyjny. Kwas węglowy ma również łagodny efekt antybiotyczny, który zapobiega rozwojowi bakterii w wodzie.
Inny interesujący chemiczny aspekt: Do niedawna naukowcy uważali, że kwas węglowy nie może istnieć samodzielnie poza wodą. Sądzili, że bez wody, w której jest normalnie rozpuszczony, natychmiast się rozpadnie. Jednak w 2011 roku naukowcom udało się wyizolować kwas węglowy i po raz pierwszy stworzyć stabilny kwas węglowy w postaci stałej i gazowej. To niesamowite, że w każdym łyku wody gazowanej znajduje się substancja, którą naukowcy wyizolowali dopiero w tej dekadzie. Czasami nawet prozaiczne i codzienne aspekty nauki o urządzeniach mogą kryć w sobie niespodzianki…