Ледяная особенность русской водки
Водка находится в стороне от других крепких напитков. Ее водно-спиртовой раствор содержит минимальное количество добавок или не содержит их вовсе. Однако при смешении спирта с водой возникает одна существенная проблема. Давно замечено, что свежеприготовленная водно-спиртовая смесь по вкусу существенно отличается от хорошей водки: в этой смеси преобладают запах и вкус чистого спирта, как будто компоненты раствора существуют сами по себе, в виде неоднородной смеси. Вкус напитка удается улучшить выдержкой, как это проделывают с виски или коньяком. А нет ли способа без выдержки добиться хорошего вкуса, превратить смесь воды и спирта в однородный раствор?
Взаимодействие этанола с водой — реакция экзотермическая. Тепловой эффект растворения спирта при 18°С для приготовления 1 кг раствора 33%вес. составляет 5,99 кДж. Будем рассматривать формирование водки как равновесную химическую реакцию образования раствора:
Спирт + Вода ↔ Раствор + Q,
где Q — тепловой эффект взаимодействия спирта с водой. В этой реакции мы хотим сместить равновесие в сторону образования конечного продукта — водно-спиртового раствора. Согласно принципу Ле Шателье, если реакция идет с выделением тепла, то, охладив систему, мы смещаем равновесие в требуемую сторону. Так что, если вместо воды взять лед, он окажется не только источником умягченной воды, но и охлаждающим агентом, с помощью которого температуру раствора можно быстро понизить до отрицательной величины и этим сместить равновесие в нужном направлении.
Почему температура смеси льда и спирта становится отрицательной? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим подробнее процесс образования раствора из спирта и измельченного льда в литровом стакане. После смешивания измельченного льда, взятого при 0°С, и этанола, взятого при 20°С, лед начинает плавиться. На это требуется немало тепла, которое он получает, охлаждая всю смесь в стакане. Однако это не мешает образованию жидкости спирт замерзает при –50°С, 49,4%-ный раствор спирта — при –36°С, а 35,4%-ный — при –25,7°С. Поэтому температура системы быстро понижается и становится ниже 0: стенки стакана покрываются инеем (рис. 1). Далее формируется трехслойная структура: верхний слой — этанол, средний — лед, нижний — расплав. При этом нижний слой увеличивается за счет уменьшения верхних слоев, а температура системы остается постоянной и отрицательной: стенки сосуда по-прежнему покрыты инеем (рис. 2). Такое распределение по стакану всех трех участвующих в процессе фаз связано с плотностями компонентов, которые имеют следующие значения при 0°С: этанол — 0,80645; лед — 0,917; 50%-ный раствор этанола в воде — 0,922. Когда весь этанол прореагирует со льдом и перейдет в расплав, температура системы повышается, иней со стенок сосуда исчезает, а на поверхности раствора тают последние кусочки льда (рис. 3).
Эффект понижения температуры системы в отрицательную область сразу после смешения компонентов хорошо известен для многих двухкомпонентных систем с участием льда, например для охлаждающих смесей на основе льда и солей. Необходимое условие длительного (до тех пор, пока не растает лед) поддержания постоянной температуры, согласно правилу фаз Гиббса, — нонвариантность системы, то есть ее число термодинамических степеней свободы должно быть равно нулю. При постоянном внешнем давлении это число (Сусл.) определяется по формуле
Сусл. = К — Ф + 1,
где К — количество независимых компонентов системы (в данном случае К = 2), Ф — число термодинамических фаз, из которых состоит система. Чтобы система была нонвариантной, то есть Сусл. = 0, необходимо чтобы Ф = 3.
Этого можно достичь, если смешать этанол и лед без присутствия воды. Только тогда сформируется трехфазная система, причем две жидкие фазы (этанол и образующийся раствор) благодаря промежуточному значению плотности льда будут разделены твердой фазой. Несоблюдение этого условия разрушает специфическую трехфазную систему. Так, например, если добавить к ней воду, лед тотчас всплывет на поверхность, а иней на стенках сосуда растает. Это вполне объяснимо с точки зрения правила фаз Гиббса. Действительно, приливаемая вода перемешивается с этанолом (верхний слой) и образует с ним раствор. С этого момента в системе присутствуют только две фазы (лед и раствор), и наблюдаемый эффект исчезает.
Здесь затронут лишь один секрет производства русской водки, который мне удалось восстановить в виде патента РФ № 2266951 от 27.12.05. При этом, конечно, следует помнить, что из плохого сырья и плохо очищенного спирта хорошей водки не приготовишь. Стало быть, вода должна быть мягкой, спирт надо делать из ржи и пшеницы, а очищать его желательно березовым углем и молоком. Но обо всем этом истинные ценители конечно же знают.
Кандидат биологических наук
С.В. Ефимов