Анализ будет основан на реакции уксусной кислоты с питьевой содой. Это — натриевая соль угольной кислоты (химическое название — гидрокарбонат натрия). В процессе реакции гидрокарбоната натрия с уксусной кислотой эти вещества обмениваются атомами натрия и водорода — в результате образуется натриевая соль уксусной кислоты (ацетат натрия) и свободная угольная кислота. Молекула угольной кислоты, в отличие от уксусной, очень непрочная и легко распадается на две молекулы — воды и углекислого газа. Вот почему если на соду капать кислотой (любой — не только уксусной), слышится шипение и смесь вспенивается — это выделяется углекислый газ. Он-то и будет в данном случае служить индикатором протекания реакции: как только пузырьки газа перестанут выделяться, значит, реакция закончилась и прибавление раствора уксусной кислоты надо прекратить. На этой химической реакции основано применение пекарских порошков.
Когда хозяйка кладет в сладкое тесто дрожжи, они вызывают спиртовое брожение, в результате которого в тесте образуются спирт и углекислый газ. Выделяющийся газ «поднимает» тесто, а при выпечке улетучивающийся спирт делает мучное изделие пористым и мягким. Однако если готовят тесто для выпечки вафель, печенья, коржиков и пряников, то используют нс дрожжи, а химические разрыхлители — пекарские порошки. Обычно такой порошок состоит из двух компонентов: неорганического щелочного агента — карбоната и кислотного агента. Реакция между ними и приводит к образованию углекислого газа, который поднимает тесто. Уксус здесь не годится, так как он жидкий и начинает реагировать с содой раньше времени. Вместо него обычно используют твердые органические кислоты. Состав порошка может быть разным. В старину использовали карбонат калия (его называли поташом) и молочную сыворотку, в которой много органических кислот (вы сами можете в этом убедиться, попробовав прозрачную жидкость, остающуюся после отделения творога от молока — она кислая). Кислое молоко добавляют в тесто и в наше время, а поташ уже не применяют: с ним выпечка получается темной, тяжелой, со специфическим привкусом. В качестве щелочного агента сейчас используют питьевую соду в сочетании с разными кислотными агентами. Одно время очень популярной была винная (другое название — винно-каменная) кислота, которую получали в больших количествах из так называемого винного камня — отхода виноделия. Использовали и сам винный камень — кислую калиевую соль винной кислоты. Особенность этого кислотного агента состоит в том, что он реагирует с содой только при высокой температуре, поэтому тесто можно приготовить впрок и хранить в холодильнике.
Пекарский порошок (его изобрел в середине XIX века американский профессор химии Гарвардского университета Э. Н. Хорсфорд) готовят так: смешивают две части винного камня и одну часть соды, а чтобы реагенты не начали взаимодействовать раньше времени, смесь разбавляют крахмалом или мукой, отделяя таким образом щелочной агент от кислотного. В качестве кислотных агентов используют также лимонную, яблочную, молочную и другие органические кислоты, некоторые соли фосфорной кислоты. После реакции все эти разрыхлители оставляют в тесте твердые нелетучие соли. Но известны вещества, разлагающиеся при нагревании с образованием только газообразных продуктов. Это соли аммония, в том числе карбонат и гидрокарбонат. Уже при небольшом нагревании они полностью разлагаются, выделяя углекислый газ, аммиак и воду.
Пекарский порошок продают в готовом виде в пакетиках, но если есть необходимые компоненты, его можно приготовить самостоятельно. Обычно на один килограмм муки берут две-четыре чайные ложки пекарского порошка. Более подробно об этом написано в книгах по кулинарии и домоводству.
Теперь, узнав кое-что об уксусе и соде, можно приступить к анализу. Чтобы вы лучше поняли его основную идею, проведите такой интересный опыт. Возьмите несколько одинаковых резиновых шариков и столько же небольших баночек (баночки должны иметь горлышко, на которое можно было бы легко натянуть шарик). На каждой баночке напишите ее номер. Будет хорошо, если таких шариков и баночек у вас наберется 7–8 пар. Чтобы резина шариков стала более податливой, шарики лучше предварительно надуть, а потом выпустить из них воздух. В каждую баночку залейте уксус; в первую (с номером I) — две чайные ложки, во вторую — четыре чайные ложки, в третью — шесть и т. д. Постарайтесь, чтобы все ложки были наполнены одинаково, а чтобы не пролить уксус, воспользуйтесь небольшой воронкой.
Промойте воронку водой, высушите ее и насыпьте через воронку' в каждый шарик ровно по одной чайной ложке питьевой соды (без верха); постарайтесь, чтобы соды в каждом шарике оказалось одинаковое количество.
Осторожно натяните шарики на баночки, чтобы сода не попала в уксус раньше времени. Для лучшего уплотнения туго обвяжите несколько раз крепкой ниткой горлышко банки с натянутым на нее шариком. Встряхивая резинки, добейтесь, чтобы сода из каждого шарика попала в банку (не обязательно это делать сразу со всеми шариками). Начнется вспенивание и выделение углекислого газа, который будет раздувать шарики (рис. 4.2).
Пока идет реакция, подумайте, какой шарик раздуется меньше, а какой — больше всех? Если кто-то думает, что сильнее всех раздуется шарик над последней баночкой, где было больше всего уксуса, то он ошибается. Ведь если бы это было так, то, добавив к чайной ложке соды не несколько ложек, а целую банку уксуса, мы бы получили еще больше газа. А если бы добавили ведро уксуса? А бочку?
Очевидно, что если к чайной ложке соды постепенно добавлять уксус, то с какого-то момента углекислый газ перестанет выделяться: это произойдет, когда израсходуется вся сода. А дальше лей уксус, не лей — ничего уже не изменится. Первый шарик раздулся слабее всех, так как много соды в баночке осталось неиспользованной: уксуса не хватило, чтобы вся сода с ним прореагировала. Почему так? Ведь уксуса как будто было больше — две чайные ложки, а соды — только одна. Но, во-первых, сода тяжелее уксуса, и в чайную ложку ее помещается (по массе) больше. Во- вторых. вещества вступают в химические реакции в соответствии с количеством молей в них. В третьих (и здесь это главное), уксус — это не чистая уксусная кислота, а сильно разбавленная.
Один моль питьевой соды (84 г) реагирует ровно с одним модем уксусной кислоты (60 г). В чайной ложке помещается примерно 7 г питьевой соды, т. е. 7 г:84 г/моль = 1/12 моль. Воды же или уксуса в чайной ложке всего 5 г. Если бы это была чистая уксусная кислота, то в ложке было бы столько же молей уксусной кислоты, сколько и соды (5 г:60 г/моль = 1/12 моль). Тогда первая же ложка с кислотой полностью прореагировала бы с содой, и все шарики раздулись бы одинаково, потому что во всех баночках оказался бы большой избыток кислоты по сравнению с содой. В химических расчетах это очень важное понятие — вещество, находящееся в избытке.
Но у нас была не чистая уксусная кислота, а ее слабый раствор — столовый уксус. Например, если бы это был 10 %-ный уксус, то его понадобилось бы для полной реакции с содой уже в 10 раз больше, чем чистой уксусной кислоты, т. с. 10 чайных ложек. В таком случае полностью реакция прошла бы только в 5-й баночке, в которой как раз было 10 ложек уксуса. В первой баночке, где было только две чайные ложки уксуса, его не хватило для реакции; здесь был избыток соды. Во второй баночке (4 ложки уксуса) сода тоже была в избытке, но се в реакцию вступило больше, так как больше налили уксуса. Значит, газа выделилось вдвое больше, и шарик раздулся сильнее. (Только его диаметр увеличился, конечно, не вдвое, так как увеличению диаметра в 2 раза соответствует увеличение объема в 23 = 8 раз.) В третьей баночке газа выделилось по объему уже в 3 раза больше, чем в первой, в четвертой — в 4 раза, в пятой — в 5 раз. А дальше объем шариков будет оставаться постоянным, потому что, начиная с шестой баночки, сода вся израсходовалась (как говорят химики, прореагировала).