Въглероден диоксид – характеристика и особености

СО₂ е основен компонент за газираните напитки. На него се дължи тяхната пенливост, игривост, ряз и свежест, катализира процесите на съзряване на напитката. СО₂ се използва за насищане в количества до 10 g/dm³ - най-често от 3 - 6 g/dm³.

В химично отношение СО₂ е неактивен, може да реагира само при високи температури от порядъка на 240 - 250°С. Обаче във водни разтвори и в среди с киселинни свойства много реакции на СО₂ протичат самопроизволно, в резултат на което може да се срещне в свободно състояние или свързан. Във водна среда е установено следното равновесие:

СО₂ ^газ ↔ СО₂ ^{разтвор} + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2-

Концентрацията на Н₂СО₃ зависи от концентрацията на разтворения СО₂ която от своя страна, се намира в пряка зависимост от равновесното налягане на СО₂ и газовата фаза. Концентрацията на въглеродната киселина, както на дисоциираната, така и на недисоциираната в наситени разтвори е около 1 ÷2 % от общото съдържание на СО₂. Въглеродната киселина, която се намира в равновесие с бикарбонатния анион, се нарича равновесна. Тя е неактивна и не влиза в химични реакции с други съставки. Свободната въглеродна киселина, която не участва в установената дисоциация, е химически активна и лесно встъпва във взаимодействие с други съставки. Тази свободна киселина се нарича още агресивна или активна.

Равновесието на отделните елементи на разтвореният във водата и напитките СО₂ зависи до голяма степен от съдържащата се в тях бикарбонатна твърдост, както и от наличието на други соли. Повишеното солево съдържание на водата води до повишени разходи на СО₂ по време на насищането с него, поради реагирането му с част от тези соли. Затова при производството на газирани напитки е добре да се използва омекотена вода.

Свободната въглеродна киселина заедно с останалите съставки на безалкохолните напитки и минералните води създава своеобразните органолептични показатели - вкус, аромат, пенливост и други на напитките. Свързването на свободната въглеродна киселина с всички съставки на дадена напитка в едно хармонично цяло е резултат на нейната каталитична активност, многократно да ускорява процесите на тяхното взаимодействие. В резултат се постига бързо съзряване и образуване на оформен вкус и аромат.

Свежият вкус и по-силно проявеният кисел тон на напитките се дължат на недисоциираните органични киселини и на свободната въглеродна киселина. Пенливостта и игристите свойства в газираните напитки настъпват при изменение на динамичното равновесие на формите на СО₂ съдържащи се в тях при филтриране, дехерметизация, транспортиране и др. Различните форми на СО₂ съдържащи се в газираните води са терапевтично и лечебно средство при взаимодействие с другите им съставки.

Механизъм на разтваряне на СО2 във вода

Насищането на водата с СО₂ е известно като сатурация, карбонизация или импрегнация. Характерно за този процес е, че СО₂ доведен в съприкосновение с водата в затворено пространство, се разтваря в нея. Механизмът на разтваряне на газа се характеризира с факта, че СО₂ дифундира през граничен газообразен и течен слой, отделящ течността от газа и се абсорбира от течността, тоест разтваря се в нея.

При дифузията на газа в течната фаза част от него се връща обратно в газовата среда - десорбция. В резултат, след време, се установява определено равновесие между газа, разтворен в течността, и газа над него. При достигане на това равновесие за единица време се разтваря толкова газ, колкото се отделя от течната фаза. Количеството на газа в двете фази се намира в зависимост най-вече от налягането и температурата в системата. Граничните повърхности оказват основно съпротивление при абсорбционния процес, а най-голямо съпротивление оказва контактната повърхност. В основната маса на всяка отделна фаза газовата концентрация е постоянна, което се дължи на конвективните токове във всяка една от фазите. Поради особеностите на граничните повърхности конвективните токове между двете фази не се получават. Придвижването на газовите молекули в зоната на затворената система се извършва бавно и се определя от разликата в концентрациите на СО2 в газовата и течната фаза:

∆CCO₂ = C^газCO₂ - C^{течност}CO₂

С – концентрация

С течение на времето разликата в концентрациите намалява, което понижава скоростта на дифузия:

C^газCO₂ ≈ C^{течност}CO₂ ; ∆CCO₂ → 0

Процесът на дифузия - естествено разтваряне е бавен, около 5 - 6 часа.

Количеството CO₂ , дифундирал през граничната повърхност в течността, и неговата скорост са равно пропорционални на контактната повърхност между фазите, на разликата в концентрациите и на парциалното налягане на газа и са обратно пропорционални на температурата на течността. За интензификация на процеса е необходимо да се осигуряват най-малко две условия – голяма контактна повърхност и максимална разлика в концентрациите на газа в двете фази.