Die sprudelnde Chemie hinter kohlensäurehaltigen Getränken

Professor für Chemie und Biochemie, Miami University

Michael W. Crowder erhält Fördermittel von den National Institutes of Health für die Erforschung von Antibiotikaresistenzen sowie von Sazerac Corp und MineXAI für die Erforschung der Charakterisierung von Bourbon.

Die Miami University stellt als Mitglied von The Conversation US finanzielle Mittel bereit.

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Viele Menschen lieben das erfrischende Prickeln einer Limonade, Champagner, Bier oder Mineralwasser. Wenn Sie einen Schluck trinken, platzen die Gasblasen im Getränk und das freigesetzte Gas kitzelt Ihre Nase. Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie die Karbonisierung eigentlich funktioniert?

Ich bin Professor, der Kurse in Chemie und Fermentation unterrichte, und selbst ein Liebhaber von kohlensäurehaltigen Getränken und selbst Brauer. Während der grundlegende Prozess der Karbonisierung relativ einfach ist, können verschiedene Faktoren – von der Temperatur bis zur Oberflächenspannung – den Geschmack und die Qualität von Getränken beeinflussen.

Bei der Karbonisierung wird das farb- und geruchlose Kohlendioxid – CO₂ – in einer Flüssigkeit aufgelöst. Wenn Kohlendioxid in eine verschlossene Flasche oder Dose mit Wasser gegeben wird, erhöht sich der Druck in der Flasche oder Dose und das Kohlendioxid löst sich in der Flüssigkeit auf.

Das CO₂ über der Flüssigkeit und das in der Flüssigkeit gelöste CO₂ erreichen ein chemisches Gleichgewicht. Chemisches Gleichgewicht bedeutet im Wesentlichen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich CO₂ in der Flüssigkeit auflöst, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der CO₂ aus der Flüssigkeit freigesetzt wird. Sie basiert auf den CO₂-Mengen sowohl in der Luft als auch in der Flüssigkeit.

Ein Teil des gelösten CO₂ reagiert mit dem Wasser unter Bildung von Kohlensäure, die die chemische Formel H₂CO₃ hat. Sobald sich also ein Teil des gelösten CO₂ in H₂CO₃ umwandelt, kann sich mehr CO₂ aus der Luft darüber in der Flüssigkeit lösen und das chemische Gleichgewicht wiederherstellen.

Wenn Sie eine Flasche oder Dose öffnen, sinkt der Druck über der kohlensäurehaltigen Flüssigkeit, um sich dem Druck außerhalb der Flasche oder Dose anzupassen. Die Druckentlastung führt zu einem zischenden Geräusch und Sie sehen, wie in der Flüssigkeit Blasen aufsteigen, während sich H₂CO₃ wieder in CO₂ umwandelt und dieses Gas an die Oberfläche entweicht. Die Kohlensäure im Getränk sorgt dafür, dass es leicht säuerlich schmeckt.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Karbonisierung beeinflusst, ist die Temperatur. Die meisten Gase, einschließlich Kohlendioxid, lösen sich nicht gut in Flüssigkeiten, wenn die Temperatur der Flüssigkeit steigt. Aus diesem Grund verdunsten kohlensäurehaltige Getränke, wenn man sie bei Zimmertemperatur stehen lässt.

Wenn Sie umgekehrt Ihr Lieblingsgetränk mit Kohlensäure in den Kühlschrank stellen und es abkühlen lassen, verbleibt mehr gelöstes Kohlendioxid im Getränk, solange es noch verschlossen ist. Wenn Sie die gekühlte Flasche oder Dose öffnen, ist die Flüssigkeit sprudelnder, da das kalte Getränk mehr gelöstes Kohlendioxid enthielt.

Ein letzter wichtiger Faktor für die Karbonisierung ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit wird dadurch bestimmt, wie stark die Moleküle der Flüssigkeit miteinander interagieren. Bei den meisten Getränken handelt es sich bei diesen Molekülen um Wassermoleküle, in Diät-Erfrischungsgetränken sind jedoch künstliche Süßstoffe gelöst. Diese Süßstoffe können die Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen schwächen und so zu einer geringeren Oberflächenspannung führen. Eine geringere Oberflächenspannung bedeutet, dass sich die Kohlendioxidblasen schneller bilden und länger halten.

Aus diesem Grund dauert es etwas länger, bis eine Diät-Cola auf Eis serviert wird, ein Problem, das Sie möglicherweise im Flugzeug bemerken. Die geringere Oberflächenspannung des künstlichen Süßstoffs führt im Vergleich zu anderen Erfrischungsgetränken zu mehr Kohlensäure und längerer Wirkung. Die Flugbegleiter müssen dann warten, bis die Blasen im Becher zerplatzen, bevor sie den Becher mit weiterer Diät-Cola füllen können.

Die Oberflächenspannung ist auch der Grund, warum Diät-Cola im berühmten Mentos-Experiment so gut funktioniert, bei dem man Mentos-Bonbons in 2-Liter-Diät-Cola-Flaschen gibt. Die Süßigkeiten tragen dazu bei, die Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen und den CO₂-Molekülen zu schwächen, wodurch die Oberflächenspannung gesenkt wird und eine leichtere Freisetzung von CO₂-Molekülen ermöglicht wird. Ein sprudelnder „Geysir“ aus Diät-Cola steigt schnell über die 2-Liter-Flasche, während sich die CO₂-Moleküle schnell auf den Oberflächen der Süßigkeiten bilden und die Diät-Cola aus der Flasche drücken.

In dem Bemühen, Wasser dem Mineralwasser ähnlich zu machen, wurde das Karbonisierungsverfahren in den 1760er Jahren in England von Joseph Priestley erfunden und von Jacob Schweppe kommerzialisiert – kennen Sie den Namen? – in der Schweiz in den 1780er Jahren. Priestley reagierte mit Kreide mit Schwefelsäure, wodurch CO₂ entstand, und er hängte einen mit Wasser gefüllten Behälter über die Reaktion, um das Wasser mit CO₂ anzureichern.

Heutzutage werden die meisten kommerziellen Biere, Erfrischungsgetränke, Selters und Mineralwasser durch „erzwungene“ Karbonisierung hergestellt. Dabei injizieren Hersteller Kohlendioxid unter hohem Kohlendioxiddruck direkt in das Getränk.

Eine zweite übliche Methode, Kohlendioxid in eine Flüssigkeit einzubringen, ist die Fermentation. Champagnerhersteller und einige kleine Heimbierbrauer folgen dieser Methode, indem sie eine Zuckerquelle und lebende Hefe in ihre Flaschen einschließen. Die Hefe produziert Alkohol und Kohlendioxid, und dieses Kohlendioxid erhöht den Druck in der Flasche, was zu kohlensäurehaltigem Champagner und Bier führt. Dieser Vorgang ist jedoch nicht so kontrolliert und kann zur Explosion der Flaschen führen.

Größere Brauereien fangen häufig CO₂ auf, das während eines Fermentationsprozesses entsteht, und pumpen dieses Gas in die Tanks, in denen sich Bier befindet, um das Bier mit Kohlensäure zu versetzen. Dies ist normalerweise ein kontrollierter Prozess, der es ermöglicht, den Getränken bekannte Mengen Kohlendioxid zuzuführen, um eine hervorragende Konsistenz zu erzielen.

Die Karbonisierung ist eine Verbindung zwischen Physik und Chemie – eine Verbindung, die gewöhnliche Flüssigkeiten in sprudelnde Leckerbissen verwandelt. Wenn Sie das nächste Mal ein kohlensäurehaltiges Getränk trinken, nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um die Wissenschaft hinter diesen tanzenden Blasen zu genießen.