Question

Углекислый газ и вода создают смесь в бутылке с газировкой?

Как может столько газа помещаться в жидкости и почему он начинает выходить, при открытии крышки?

Answer 1

Углекислый газ, закачанный или помещенный каким-нибудь другим способом в сосуд с обычной водой под давлением, образует не "смесь", а прозрачный раствор. В этом растворе углекислый газ находится в основном в виде молекул СО2, а частично также в виде продуктов химического взаимодействия углекислого газа с водой - положительно заряженных катионов водорода Н+ и отрицательно заряженных гидрокарбонат-ионов НСО3- и небольшого числа молекул угольной кислота Н2СО3. Количество растворенного газа подчиняется закону Генри - чем выше парциальное давление газа (то есть давление без учета других газов, включая воздух) над раствором, тем больше газа растворяется. Константа Генри для углекислого газа и воды хорошо известна. Если, например, выпустить в литровый сифон с 0,9 л воды углекислый газ из стального баллончика (в него помещается 8,8 г, что легко определить взвешиванием, в нем газ находится под давлением в жидком состоянии), то в воду, как показывает расчет по закону Генри, перейдет примерно 85% газа, а остальное останется над раствором в виде сжатого газа. Его парциальное давление будет порядка 5,5 атм (и еще 1 атм - воздуха, который был в сифоне с водой до впуска углекислого газа). Если заполнить сифон доверху, давление над водой немного увеличится. Кстати, кислотность водного раствора СО2 (рН от 3,3 до 3,7, в зависимости от давления) намного меньше кислотности желудочного сока. Поэтому даже концентрированный водный раствор угольной кислоты можно пить без опасений. Если сифон или бутылку с газированной водой открыть, давление над раствором резко упадет и станет равным атмосферному. При этом, в соответствии с тем же законом Генри, растворимость газа тоже резко упадет, он начнет выделяться в виде пузырьков в в жидкости, которые будут всплывать и выходить в воздух. При этом иона Н+ и НСО3- объединяются и образуют угольную кислоту Н2СО3, которая распадается с выделением СО2 (т.е. процессы идут "в обратную сторону"). И еще: константа Генри сильно зависит от температуры. В теплой воде растворимость углекислого газа намного меньше, а в ледяной воде - больше. Если нагреть неоткупоренную бутылку с газировкой, давление газа в ней сильно увеличится.