Warum sprudeln Cola-Flaschen so viel mehr, wenn man sie schüttelt?

Obwohl Warum kann CO nicht$_2$wieder mit der Flüssigkeit mischen, nachdem eine Sodaflasche geschüttelt wurde? ist ein Duplikat zu dieser Frage, ich bin mir nicht sicher, ob es eine großartige Antwort ist, und es wäre gut, wenn jemand hier eine bessere Antwort finden könnte.

Die anerkannte Weisheit ist, dass das Schütteln der Flasche winzige Bläschen erzeugt und diese als Kerne für die Bläschenbildung dienen, wenn der Druck abgelassen wird. Ohne diese Keime erfolgt die Blasenbildung hauptsächlich durch heterogene Keimbildung an den Flaschenwänden, und das ist langsamer.

Ich habe jedoch noch nie ein Papier gesehen, das dies bewies, beispielsweise durch Lichtstreuungsmessungen an der geschüttelten, aber ungeöffneten Flasche. Das nächste, was ich gesehen habe, ist dieses Papier , das einigermaßen maßgebend erscheint, obwohl es nicht aus einer von Experten begutachteten Zeitschrift stammt. Wenn jemand solche Papiere kennt oder Lust hat, das Experiment durchzuführen, wäre ich an den Daten interessiert.

Es ist bekannt, dass der Druck nicht durch Schütteln / Fallenlassen der Flasche erhöht wird (der von mir verlinkte Artikel hat dies gemessen), sodass eine Form der verstärkten Keimbildung der plausibelste Mechanismus zu sein scheint. Es wäre nur schön, es bewiesen zu sehen.

Stellen Sie sich das im Sinne des Prinzips von Le Chatelier vor.

Eine ungeschüttelte Flasche sollte sich in einem Zustand befinden, der sich dem thermodynamischen Gleichgewicht von Konzentration, Temperatur, Volumen und Partialdruck annähert. Die Geschwindigkeiten der chemischen Reaktion, die die Lösung der CO2-Komponenten beschreibt, sind sowohl in der Lösungs- als auch in der Auflösungsrichtung gleich.

Wenn Sie die Flasche schütteln, mischen Sie es und beschleunigen die Reaktion in Richtung Lösung. (Genauso wie man die Auflösung von Zucker in Tee durch Rühren beschleunigen kann.) Dadurch wird die Flüssigkeit bezüglich des CO2-Anteils übersättigt. Entkorken Sie die Flasche und der Druck des Gases wird plötzlich gesenkt und die übersättigte Lösung siedet. Übersättigung ist ein metastabiler Zustand.

Als Test dieser Hypothese denke ich auch, dass Sie feststellen würden, dass das Schütteln einer geschlossenen Flasche Pop die Temperatur leicht senkt und den Druck des Gases leicht senkt und das Volumen der Flüssigkeit leicht verändert.

Normalerweise würde ich die Theorie der „persistenten mikroskopischen Blase“ verwerfen, da sehr kleine Blasen einen sehr hohen Innendruck hätten, der sie instabil macht, und ihr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, das die Geschwindigkeit beschleunigen würde, mit der sich das Gas wieder auflöst – es wäre praktisch augenblicklich. In Gegenwart von Proteinen (oder anderen Tensiden) wird die Blasenoberfläche jedoch von den Proteinen besetzt und die Blase löst sich nur bis zu dem Punkt wieder auf, an dem die Proteine ​​​​eine starre Hülle bilden (Deshalb bilden Blasen in Bier, das einen hohen Gehalt an Proteine, sind viel starrer als Bläschen in Champagner). Es ist ziemlich plausibel, dass die Zeitskala für die Wiederauflösung der Proteinstrukturen so lang sein könnte wie die angegebenen fünfzehn bis zwanzig Minuten.

Ich habe keine Antwort, aber ich möchte versuchen, andere Antworten klar zu formulieren.

Antwort von John Rennie: Wenn man die Flasche schüttelt, entstehen irgendwie viele kleine Bläschen. Wenn sich die Flasche öffnet, wird der Druck reduziert und jede Blase dehnt sich aus. Diese Ausdehnung wirft viel Flüssigkeit aus der Öffnung.

Außerdem beobachten wir große Blasen in der Flüssigkeit. Die winzigen expandierenden Blasen müssen koaleszieren und ziehen auch mehr CO2 aus der Flüssigkeit an, um über ihre Expansion durch niedrigen Druck hinaus größer zu werden.

Antwort von Mark Rovetta: In Wasser gelöstes CO2 befindet sich im Gleichgewicht zwischen mehr als einem Zustand. Einer der Zustände sind einfach CO2-Moleküle, die im Wasser herumstoßen. Ein zweiter Zustand sind CO2-Moleküle, die über Wasserstoffbrücken an Wasser gebunden sind und als H2CO3 dargestellt werden können. (Es kann andere Zustände geben, diese beiden reichen zur Erklärung.) Sehen Sie, Essigsäure ist wie CO2 mit einer angehängten Methylgruppe. Ameisensäure ist wie CO2 mit einem angehängten Wasserstoff. Kohlensäure ist nur CO2. Die minimale Carboxylgruppe.

Vielleicht gibt das Schütteln die Energie, um einige der Wasserstoffbrücken zu brechen? Und mit der Zeit bauen sie sich wieder auf.

Beim Ablassen des Drucks tritt das lediglich gelöste CO2 aus der Lösung aus und bildet Blasen.

Nein, warte, das hat Mark Rovetta nicht gesagt. Hier ist eine andere Art, wie er es vielleicht gemeint haben könnte. Sie erhalten ein Gleichgewicht zwischen dem CO2, das in der Flüssigkeit gelöst ist, und dem CO2, das sich in der Gasschicht über der Flüssigkeit befindet. Wenn Sie die Flasche schütteln, liefern Sie Energie, die mehr CO2 in Lösung bringt. Außerdem stellst du dafür sehr viel Fläche zur Verfügung. Später, wenn die Flasche stillsteht, dauert es wegen der reduzierten Fläche länger, bis das alte Gleichgewicht wiederhergestellt ist.

Wenn Sie die Flasche öffnen, löst sich das in der Flüssigkeit gelöste zusätzliche CO2 schnell aus der Lösung. Weil mehr CO2 in Lösung ist.

Wenn ich darüber nachdenke, scheint es wichtig zu sein, dass Sie das Sprudeln verhindern können, indem Sie die Flasche langsam öffnen. Sie können es VIEL früher ohne übermäßige Blasenbildung öffnen, als wenn Sie warten und es dann schnell öffnen. Das muss irgendwie ins Puzzle passen.

Mögliches Experiment: Zähle die Blasen.

Wenn die Anzahl der Nukleationsstellen mit der Zeit abnimmt, werden weniger Blasen entstehen, je länger Sie mit dem Öffnen der Flasche warten.

Wenn jede Keimbildungsstelle immer kleiner wird, gibt es die gleiche Anzahl von Blasen, aber sie beginnen kleiner und brauchen möglicherweise etwas länger, um groß zu werden.

Das sagt also nicht aus, ob Nukleationsstellen wichtig sind, zeigt aber den Unterschied zwischen einem Nukleationsmodell und einem anderen Nukleationsmodell oder einem verallgemeinerten Lösungsmodell.

Mögliches Experiment: Etwas Sodawasser mit genügend Öl in Flaschen abfüllen, um eine Schicht zwischen dem Wasser und dem Gas zu bilden. Das Öl sollte es länger dauern lassen, bis das Gleichgewicht zwischen dem im Wasser gelösten CO2 und dem CO2 in der Gasschicht erreicht ist. Wenn Sie es schütteln, erhalten Sie eine große Oberfläche zwischen CO2-Blasen und Wasser, und diese Oberfläche wird allmählich kleiner, wenn die Öltröpfchen zusammenfließen. Wenn es um Kohlensäure versus CO2 im Wasser geht, sollte das überhaupt keine Rolle spielen. Wenn es sich um Nukleationsstellen im Wasser handelt, die mit der Zeit verschwinden, ohne sich in die Gasschicht zu bewegen, sollte dies ebenfalls keine Rolle spielen.