Chemia wody sodowej
Wzorem artykułu z lipca nie ograniczymy się do „sodówki” tylko jako napoju - jest to czynnik niezmiernie istotny dla losów naszej planety oraz życia na niej. Stwierdzenia nie są wcale przesadne, sam dwutlenek węgla pełni bardzo ważną funkcję w atmosferze Ziemi, a w połączeniu z wodą to prawdziwie potężna siła natury.
Dlaczego woda gazowana to woda sodowa?
Chemik zna wiele rodzajów wód. Dla przykładu: woda siarkowodorowa to woda nasycona siarkowodorem, woda chlorowa oznacza roztwór gazowego chloru w wodzie, a woda bromowa - wodny roztwór bromu. Woda sodowa nie jest jednak roztworem sodu ani sody. Skąd więc wzięła się jej nazwa?
Ludzie już dawno zauważyli, że woda nasycona powietrzem i dwutlenkiem węgla (choć o nim jeszcze nic nie wiedziano) jest bardzo smaczna i orzeźwiająca. Stąd też popularność naturalnych wód mineralnych nasyconych tym gazem. Szczawy (tak nazywają się owe wody) są dostępne w większości polskich uzdrowisk, a powstały w wyniku wydostawania się CO2 z głębszych warstw skorupy ziemskiej poprzez pokłady wodonośne położone płycej.
Od równie dawna jednym z problemów trapiących marynarzy podczas długich rejsów był brak wody pitnej: zabrane zapasy szybko się kończyły albo woda ulegała skażeniu i nie nadawała się do picia, powodując choroby. Powagę sytuacji zauważyła brytyjska Royal Navy, a w wyniku ogłoszonego konkursu okręty miały być zaopatrywane w beczki z wodą destylowaną. Miała ona co prawda znacznie dłuższy termin przydatności do spożycia i była czysta biologicznie, ale za to zupełnie pozbawiona smaku.
O tym zresztą sam możesz się przekonać, wystarczy spróbować wody destylowanej lub demineralizowanej (dostępna np. na stacjach benzynowych) lub też wody powstałej ze stopienia szronu z zamrażarki. Jednym z uczonych kosztujących nowego nabytku marynarki był Joseph Priestley, przyszły odkrywca tlenu (1). Jemu również nie smakowała woda z destylarki, ale przypomniał sobie wizytę w browarze, gdzie spostrzegł, że woda w naczyniu umieszczonym obok kadzi z fermentującym zacierem nabrała wyśmienitego smaku. W roku 1767 zbudował urządzenie do nasycania wody dwutlenkiem węgla, a jego wynalazek od razu zdobył wielkie uznanie. Oprócz niewątpliwych walorów smakowych i działania orzeźwiającego, wodzie sodowej przypisywano właściwości lecznicze, miała nawet zapobiegać powszechnemu u marynarzy szkorbutowi. To ostatnie przewidywanie oczywiście nie sprawdziło się, ale od XIX wieku woda sodowa jest stałym składnikiem napojów orzeźwiających.
- Ale dlaczego „sodowa”? - przypominasz. Dwutlenek węgla użyty do nasycenia pochodził z rozkładu wodorowęglanu lub węglanu sodu (czyli popularnie sody) za pomocą kwasu. To całe wyjaśnienie.
Woda sodowa własnego wyrobu
Choć nie ma problemu z zaopatrzeniem się w wodę gazowaną w sklepie, możesz ją otrzymać samodzielnie. Na rynku istnieją syfony oraz urządzenia do nasycania wody (saturatory) ze specjalnych nabojów zawierających CO2 pod ciśnieniem (2). Chemik jednak poradzi sobie bez nich, a potrzebny dwutlenek węgla wytworzysz in situ, czyli z łaciny „w miejscu” (określenie to w chemii oznacza powstawanie nietrwałego produktu, który jest od razu zużywany w innej reakcji).
Źródłem dwutlenku węgla będzie soda oczyszczona, czyli wodorowęglan sodu NaHCO3 - środek spulchniający do wypieków (E500b) (3). Łyżkę sody wsyp do szklanki wody, wymieszaj do rozpuszczenia, a następnie wlej sok z cytryny i dodaj porcję cukru do smaku. Po wymieszaniu masz gotowy napój gazowany własnego wyrobu.
Kwas cytrynowy obecny w cytrynie spowodował rozkład wodorowęglanu. Znasz zapewne napoje musujące w proszku, które po wsypaniu do wody pozwalają na otrzymanie porcji napoju gazowanego. Spójrz na ich skład: cukier, kwas cytrynowy, wodorowęglan sodu plus barwniki i aromaty. I w tym przypadku sam przygotuj proszek do rozpuszczenia w wodzie. Kwas cytrynowy jest dostępny w sklepach spożywczych jako kwasek cytrynowy (E330), natomiast cukier możesz aromatyzować, np. miętą (do słoika z cukrem włóż pokrojone listki mięty). Wszystkie składniki dokładnie wymieszaj, utrzyj na proszek i przechowuj w szczelnym naczyniu bez dostępu wilgoci. Na analogicznej zasadzie przygotowywane są niektóre środku lecznicze i suplementy, np. wapno musujące (4).
Wszystko zależy od ciśnienia
Pierwszą wytwórnię wody sodowej założył Thomas Henry, aptekarz z Manchesteru. Jego syn, William, został chemikiem i na podstawie obserwacji procesu produkcyjnego znalazł regułę rządzącą rozpuszczaniem gazów w wodzie: objętość gazu rozpuszczonego w danej objętości cieczy w ustalonej temperaturze jest stała, niezależna od ciśnienia. Oznacza to, że przy dwukrotnie większym ciśnieniu w porcji wody rozpuści się taka sama objętość gazu, ale będzie on ważył dwa razy więcej (efekt kompresji). Skutki działania prawa Henry’ego (tak nazwano regułę) łatwo zaobserwować, wystarczy odkręcić zakrętkę butelki wody gazowanej. Spadek ciśnienia nad roztworem powoduje rozprężenie gazu w cieczy, a jego nadmiar tak szybko się ulatnia, że zawartość może wytrysnąć z butelki (5). Z prawem Henry’ego borykają się także nurkowie - zbyt szybkie wynurzenie powoduje wydzielanie pęcherzyków rozpuszczonego w krwi powietrza (choroba kesonowa), co jest niebezpieczne dla życia.
W temperaturze pokojowej w jednym litrze wody rozpuszcza się około 1,7 litra CO2, ale przez lata kłopotliwe było utrzymanie gazu w cieczy - woda po krótkim czasie „wietrzała”. Rozwiązaniem okazało się dopiero wynalezienie kapsla na butelki (koniec XIX wieku).
Ta, która rzeźbi powierzchnię Ziemi
Do eksperymentu potrzebna ci będzie woda wapienna, czyli nasycony roztwór wodorotlenku wapnia. Dowolną sól wapnia (chlorek, azotan) rozpuść w wodzie i zacznij dodawać roztwór wodorotlenku sodu. Zaobserwujesz zmętnienie zawartości naczynia, ponieważ Ca(OH)2 jest dość słabo rozpuszczalny (unikaj nadmiaru NaOH). Gdy zawiesina opadnie na dno, zlej ciecz znad osadu. W ostateczności możesz użyć skorupki jajka, którą roztworzysz w kwasie solnym lub octowym (unikaj nadmiaru), a następnie potraktujesz roztworem NaOH.
Weź słomkę do napojów, usiądź wygodnie i zacznij wdmuchiwać powietrze do wody wapiennej. Po chwili ciecz zmętnieje - to efekt wytrącania osadu węglanu wapnia CaCO3 (6). Po dłuższym wdmuchiwaniu powietrza ciecz zacznie się klarować, co jest rezultatem powstawania znacznie lepiej rozpuszczalnego wodorowęglanu wapnia Ca(HCO3)2. Po całkowitym rozpuszczaniu osadu wyjmij słomkę i ogrzej zawartość naczynia do wrzenia. Ponownie pojawia się zmętnienie: wodorowęglan uległ rozkładowi do węglanu.
Przemiany, które wykonałeś, zachodzą w przyrodzie na ogromną skalę i mają niezwykle istotne znaczenie, także gospodarcze. Pod wpływem rozpuszczonego w wodzie dwutlenku węgla skały wapienne oraz węglan magnezu ulegają erozji i przekształcają się w rozpuszczalne wodorowęglany tych pierwiastków, z których następnie znowu tworzą się nierozpuszczalne osady (np. z powodu wyparowania wody). Skutkiem są zjawiska krasowe, np. powstawanie jaskiń ze stalaktytami i stalagmitami (7). Rozpuszczone w wodzie związki odpowiadają za jej twardość. Z jednej strony jest to zjawisko korzystne, ponieważ taka woda jest smaczna i dostarcza organizmowi niezbędnych składników mineralnych, ale stanowi równocześnie poważny problemem ze względu na tworzenie się kamienia kotłowego w urządzeniach do ogrzewania wody.
Enzym wody sodowej
Do lodówki włóż kolby, wodę destylowaną (lub zagotowaną w celu usunięcia rozpuszczonych gazów) oraz butelkę wody gazowanej. Schłodzenie szkła i wody do około 5°C ograniczy wydzielanie dwutlenku węgla (rozpuszczalność gazów rośnie wraz ze spadkiem temperatury). W tym czasie przygotuj 1% roztwór wodorotlenku sodu NaOH oraz roztwór fenoloftaleiny. Do kolby wlej 20 cm3 schłodzonej wody gazowanej, taką samą ilość wody destylowanej, dodaj kilka kropli wskaźnika i 1–2 cm3 roztworu zasady. Zawartość od razu przybierze malinowy kolor, co sygnalizuje odczyn alkaliczny. Obserwuj dalej naczynie, po pewnym czasie barwa zblednie, aż roztwór znowu stanie się bezbarwny. Ponownie dodaj porcję zasady - cały proces ulegnie powtórzeniu. Co się dzieje w kolbie?
Z punktu widzenia chemika woda sodowa to roztwór słabego kwasu węglowego H2CO3. W reakcji z roztworem NaOH ulega on zobojętnieniu, a nadmiar zasady zabarwia fenoloftaleinę. Jednak tylko bardzo mała ilość rozpuszczonego dwutlenku węgla reaguje z wodą, tworząc kwas węglowy, większość nadal znajduje się w postaci cząsteczek CO2. Usunięcie kwasu przez zasadę powoduje zachwianie równowagi w roztworze i reakcję części dwutlenku węgla z wodą prowadzącą do powstania kwasu.
Fenoloftaleina sygnalizuje zachodzące przemiany: malinowy kolor roztworu oznacza związanie całego kwasu węglowego i obecność nadmiaru wodorotlenku sodu, odbarwienie wskaźnika zaś - ponowne utworzenie kwasu węglowego i zobojętnienie zasady. Reakcja uwadniania CO2 jest jednak, co zauważyłeś, powolna. Zamiast fenoloftaleiny możesz użyć błękitu bromotymolowego, który w środowisku kwasowym przyjmuje zabarwienie żółte (pH wody sodowej wynosi 5–6), a w zasadowym niebieskie.
Równowaga pomiędzy rozpuszczonym dwutlenkiem węgla i kwasem węglowym istnieje również w organizmach żywych, zapewniając m.in. utrzymywanie stałego pH krwi (u człowieka w zakresie 7,35–7,45). Natura znalazła sposób na przyspieszenie jej ustalania się, co jest istotne dla życia. Do kolejnego doświadczenia potrzebne będzie kilka kropel twojej krwi. Zdezynfekuj opuszek palca oraz igłę, ukłuj się i wpuść 2–3 krople do kolby ze schłodzoną mieszaniną wody gazowanej i destylowanej (na rankę załóż jałowy opatrunek). Jak w poprzednim eksperymencie, do kolby dodaj roztwór wskaźnika i porcję zasady. Tym razem pojawienie się malinowej barwy i odbarwienie roztworu następuje prawie natychmiast. Spośród licznych enzymów zawartych w krwi w naczyniu działała anhydraza węglanowa, katalizująca reakcję uwodnienia dwutlenku węgla. Eksperyment dowiódł jej skuteczności - kwas węglowy rzeczywiście regenerował się bardzo szybko (8).
Jak więc się przekonałeś, woda sodowa jest wszechobecna - znajduje się nie tylko w gazowanych napojach i wodach naturalnych kształtujących powierzchnię Ziemi, ale i w twojej krwi. Choć jej skład jest prosty, tylko CO2+H2O, to moc i znaczenie ogromne.
Krzysztof Orliński
