To, jak woda gazowana zachowuje się w różnych sytuacjach, to fascynujący przykład działania podstawowych praw fizyki i chemii. Cała tajemnica bąbelków tkwi w dwutlenku węgla (CO2) i ciśnieniu.

Oto naukowe wyjaśnienie, dlaczego woda traci gaz po otwarciu i dlaczego wstrząśnięta butelka robi „bum!”.

Dlaczego woda gazowana w szklance traci gaz? Prawo Henry’ego w akcji

Zjawisko uciekania gazu z otwartej butelki czy szklanki jest bezpośrednio związane z Prawem Henry’ego. Brzmi poważnie, ale zasada jest prosta i dotyczy rozpuszczalności gazów w cieczach.

1. Stan zamkniętej butelki: Ciśnienie i przesycenie

Woda gazowana jest produkowana poprzez wtłoczenie dwutlenku węgla (CO2) do wody pod bardzo wysokim ciśnieniem.

• Prawo Henry’ego: Mówi ono, że rozpuszczalność gazu w cieczy jest wprost proporcjonalna do ciśnienia tego gazu nad cieczą.
• W butelce: Dzięki szczelnej zakrętce, nad wodą panuje wysokie ciśnienie cząstkowe CO2. To ciśnienie "zmusza" cząsteczki dwutlenku węgla do rozpuszczenia się w wodzie w ilości znacznie większej, niż mogłaby ona utrzymać w normalnych warunkach. Mówimy wtedy o stanie przesycenia roztworu.

2. Stan otwartej butelki lub szklanki: Ucieczka do równowagi

Kiedy odkręcasz butelkę, słyszysz charakterystyczne syknięcie – to ciśnienie ulatuje.

• Spadek ciśnienia: Ciśnienie gazu nad cieczą natychmiast spada z wysokiego poziomu (panującego w butelce) do ciśnienia atmosferycznego (panującego w pomieszczeniu).
• Zmiana równowagi: Zgodnie z Prawem Henry’ego, przy niższym ciśnieniu woda może utrzymać rozpuszczone znacznie mniej CO2. W rezultacie, nadmiar rozpuszczonego gazu zaczyna opuszczać ciecz, aby osiągnąć nowy stan równowagi z otoczeniem.
• Bąbelki: Dwutlenek węgla uwalnia się, tworząc bąbelki, które widzimy, i ucieka do powietrza. Proces ten trwa, aż stężenie CO2 w wodzie spadnie do poziomu odpowiadającego ciśnieniu atmosferycznemu. Wtedy woda jest już "wytrącona" (traci gaz).

Ciekawostka: Ciepła woda traci gaz szybciej niż zimna. Dlaczego? Ponieważ rozpuszczalność gazów w cieczach maleje wraz ze wzrostem temperatury. Schłodzona woda może utrzymać w sobie więcej CO2, dlatego napoje gazowane zawsze smakują lepiej, gdy są bardzo zimne.

Dlaczego wstrząśnięta butelka „wybucha”? Rola punktów zarodkowania

Wstrząśnięcie butelką nie zwiększa znacząco całkowitej ilości gazu w butelce, ale zmienia jego rozmieszczenie i stwarza idealne warunki do jego gwałtownego uwolnienia.

1. Tworzenie punktów zarodkowania (nukleacji)

Kiedy energicznie potrząsasz butelką:

• Powstają mikrobąbelki: Wprowadzasz do cieczy miliony mikroskopijnych pęcherzyków powietrza (lub CO2), które są równomiernie rozprowadzone w całej objętości wody.
• Pokonanie napięcia powierzchniowego: Cząsteczki CO2 rozpuszczone w wodzie mają trudność z samodzielnym utworzeniem bąbelka, ponieważ muszą pokonać napięcie powierzchniowe cieczy. Wymaga to dużo energii.
• Łatwa droga ucieczki: Wstrząsanie dostarcza gotowe punkty zarodkowania (nukleacji). Rozpuszczonemu CO2 jest znacznie łatwiej dyfundować (przenikać) do tych już istniejących, maleńkich pęcherzyków, niż tworzyć nowe.

2. Gwałtowna dekompresja i erupcja

Po wstrząśnięciu, woda jest wypełniona milionami uśpionych, malutkich pęcherzyków, które są gotowe do przyjęcia gazu.

• Otwarcie butelki: W momencie odkręcenia, ciśnienie w butelce gwałtownie spada do poziomu atmosferycznego.
• Natychmiastowe uwolnienie CO2: W odpowiedzi na spadek ciśnienia, cały rozpuszczony w wodzie dwutlenek węgla (którego jest wciąż bardzo dużo) natychmiast i masowo ucieka z roztworu. Robi to, wlewając się do najbliższych punktów zarodkowania – czyli do tych mikrobąbelków, które powstały w wyniku potrząsania.
• Gwałtowna ekspansja: Każdy z tych milionów bąbelków natychmiastowo i gwałtownie się powiększa, ponieważ gaz do nich napływa. Ta jednoczesna, masowa ekspansja gazu w całej objętości cieczy wypycha całą wodę na zewnątrz z ogromną siłą – stąd efekt "wybuchu".

Dla porównania, w butelce, którą się nie wstrząsało, punkty zarodkowania to głównie nierówności na ściankach butelki i dnie. Uwalnianie gazu jest wtedy bardziej kontrolowane i następuje głównie w tych kilku miejscach. Potrząsanie zamienia całą objętość wody w jedno wielkie, gwałtowne miejsce uwalniania gazu.