Uwaga: Wpisy dotyczące napojów alkoholowych mają na celu zapoznanie czytelnika z właściwościami chemicznymi tych produktów i drogami ich generowania – w żadnym razie nie stanowią zachęty do konsumpcji.
Współczesność uwielbia wszystko definiować, dlatego napoje alkoholowe także mają swoje prawne definicje. Definicja wódki, ang. vodka, mówi, że jest to czysty destylowany napój alkoholowy („czysty” oznacza bezbarwny i bez domieszek smakowych), będący roztworem etanolu w wodzie, o stężeniu masowym co najmniej 37,5% (UE) lub 40% (USA). Znane są też mocniejsze rodzaje wódki o stężeniu etanolu 43%, 50%, a nawet większym. Trzeba przy tym zauważyć, że większa zawartość C₂H₅OH jedynie potęguje szkodliwe właściwości tego napoju.
Podobnie jak piwo, wódkę można wytwarzać drogą fermentacji z praktycznie każdego materiału bogatego w skrobię lub prostsze cukry. Za surowiec skrobiowy mogą służyć np. ziemniaki, sorgo, kukurydza, żyto, pszenica, soja i ryż, natomiast jako surowce cukrowe bywają używane m.in. winogrona, buraki cukrowe oraz melasa (produkt uboczny przemysłu cukrowniczego). W Europie Środkowej stosuje się też fermentację wodnego roztworu sacharozy, a w innych regionach używa się do tego nawet produktów ubocznych przeróbki ropy naftowej lub miazgi drzewnej.
Produkcja wódki z surowca skrobiowego rozpoczyna się od zacierania, którego celem jest hydroliza skrobi do cukrów prostych. Następnym etapem jest fermentacja z użyciem drożdży, potem filtracja i destylacja. W USA wódki produkuje się przez rozcieńczenie spirytusu rektyfikowanego (95% roztwór etanolu w wodzie). W innych regionach świata destylacja jest prowadzona do osiągnięcia stężenia zbliżonego do końcowego. Inną metodą, stosowaną dawniej, gdy znano tylko prymitywne metody destylacji prostej, było wystawianie destylatu o stężeniu ok. 20% C₂H₅OH na mróz. Część wody zawarta w takim półprodukcie zamarzała, a ciecz oddzielona od lodu miała większą zawartość etanolu.
Można by się spodziewać, że taki prosty dwuskładnikowy układ nie będzie specjalnie interesujący dla chemika, jednak oddziaływania między cząsteczkami wody i etanolu sprawiają, że jest inaczej. Pisałem już swego czasu o Mendelejewie, który podczas badania rzekomego oszustwa przy produkcji wódki odkrył zjawisko kontrakcji objętości: zmieszanie określonych objętości spirytusu o wysokim stężeniu i wody daje produkt o objętości mniejszej niż suma objętości składników. Efekt ten nie jest wielki: wynosi nieco ponad 3%, ale po zmieszaniu 1000 litrów spirytusu z 1000 litrów wody „znikają” 64 litry produktu, a to już ilość nie do przeoczenia.
Przyczyną kontrakcji przy rozcieńczaniu etanolu wodą są przede wszystkim wiązania wodorowe między cząsteczkami składników roztworu, ale może najpierw przyjrzymy się, jak to wygląda w przypadku czystej wody.
Woda jest cząsteczką polarną, w której z powodu większej elektroujemności tlenu niż wodoru dochodzi do polaryzacji wiązań O–H. To powoduje, że na atomie tlenu pojawia się cząstkowy ładunek ujemny, a na atomach wodoru – cząstkowy ładunek dodatni. W ten sposób woda staje się dipolem elektrycznym, a jej cząsteczki mogą przyciągać się do siebie różnoimiennymi biegunami. Rzecz jednak nie kończy się na elektrostatyce, ponieważ atomy wodoru w wiązaniu spolaryzowanym wykazują właściwości akceptorowe, a atomy tlenu z uwagi na dużą liczbę elektronów walencyjnych mogą pełnić funkcję donorów par elektronowych. W ten sposób powstaje wiązanie wodorowe.
Wiązanie wodorowe tworzące się między cząsteczkami wody prowadzi do powstania asymetrycznego układu, w którym jedno z wiązań tlen-wodór ma długość 101 pm, a drugie – 175 pm. Zatem oba wiązania O–H w układzie mostka wodorowego są dłuższe (a przez to słabsze) od wiązania O–H w izolowanej cząsteczce wody (95 pm). Łączenie się cząsteczek wody w większe ugrupowania nazywa się asocjacją.
W stanie stałym cząsteczki wody tworzą regularną sieć przestrzenną, w której występują tetraedry składające się z atomów tlenu. Otoczenie tlenu nie ma natomiast symetrii tetraedrycznej, ponieważ – jak wspomniałem – wiązania O–H mają różne długości. Taka struktura zawiera dużo wolnych przestrzeni, dzięki czemu w temperaturze topnienia gęstość lodu jest mniejsza niż gęstość wody w stanie ciekłym. Podczas topnienia lodu około 15% wiązań wodorowych zostaje rozerwanych, jednak w temperaturze bliskiej temperaturze topnienia istnieją jeszcze klastery składające się nawet ze 100 cząsteczek wody.
Z kolei maksimum gęstości wody przy około 4°C wynika z maksymalnej zawartości asocjatów dwucząsteczkowych. Takie asocjaty są najtrwalsze: cząsteczki wody są w nich najmocniej związane z powodu występowania dwóch mostków wodorowych. Zapewnia to zarazem najciaśniejsze upakowanie cząsteczek H₂O.
W miarę wzrostu temperatury wiązania wodorowe w asocjatach ulegają rozerwaniu, a energia zużywana na ten proces sumuje się z energią potrzebną na przezwyciężenie innych sił międzycząsteczkowych (na przykład oddziaływań van der Waalsa), co stanowi przyczynę podwyższenia temperatury wrzenia wody w stosunku do wodorków pozostałych tlenowców.
Rzecz jasna, woda może tworzyć wiązania wodorowe także z innymi substancjami zawierającymi w cząsteczkach akceptorowe atomy wodoru lub atomy donorowe z niewiążącą parą elektronową. Należą do nich m.in. alkohole, zwłaszcza lekkie lub polihydroksylowe, w których hydrofobowy łańcuch organiczny jest zdominowany przez hydrofilowe właściwości grupy lub grup –OH. I w ten sposób wracamy do wódki.
Należy jeszcze zauważyć, że wiązanie wodorowe jest słabsze od innych wiązań, np. kowalencyjnych, więc tworzy się wolniej, zwłaszcza w układach zawierających więcej niż jeden rodzaj cząsteczek. W istocie, badania roztworów etanolowo-wodnych wskazują, że powstawanie w nich coraz większych asocjatów trwa wiele tygodni, a nawet lat, co stanowi jedno z uzasadnień koncepcji leżakowania wielu napojów alkoholowych. Osoby, które miały okazję spróbować bimbru – nielegalnie produkowanego alkoholu konsumowanego zwykle krótko po destylacji – albo napojów otrzymywanych przez rozcieńczanie wysokoprocentowego spirytusu, mogły stwierdzić, że wyraźnie różnią się one smakiem od wódek sklepowych. Te ostatnie od produkcji do spożycia dzielą tygodnie, jeśli nie miesiące.
Z drugiej strony, przeprowadzone w ubiegłej dekadzie badanie porównawcze smaków wódki wykazały, że różnice między poszczególnymi odmianami są niewielkie. Jednak badanie dotyczyło wódek amerykańskich, produkowanych, jak wspomniałem, przez rozcieńczanie spirytusu. Wrażenia smakowe opisywano podobnie w przypadku tanich wódek oraz marek „premium” i „super premium”, co sugerowałoby, że jest to przede wszystkim kwestia marketingu i sugestii.
Więcej sensu ma natomiast pogląd, że spożycie czystej wódki wiąże się z mniejszym nasileniem negatywnych następstw dla samopoczucia, takich jak kac, niż w przypadku alkoholi kolorowych. Jest to uzasadnione mniejszą zawartością fuzli i ubocznych produktów fermentacji, które z czystej wódki eliminuje się w wyniku filtracji i destylacji (dobierając odpowiednie frakcje). Do fuzli, inaczej zwanych alkoholami fuzlowymi, zaliczają się przede wszystkim alkohole zawierające w cząsteczce więcej niż dwa atomy węgla. Są to przede wszystkim alkohol izoamylowy (izopentanol, 3-metylobutan-1-ol), alkohol amylowy (2-metylobutan-1-ol), alkohol izobutylowy (2-metylopropan-1-ol) i alkohol propylowy (propan-1-ol). Z kolei do produktów ubocznych fermentacji, które czasem przedostają się do napojów alkoholowych kierowanych do konsumpcji, należą aceton, estry, aldehydy (np. octowy) oraz metanol. Ten ostatni raczej rzadko pojawia się w alkoholach otrzymywanych z surowców skrobiowych, natomiast często – z owocowych.
Poniższa grafika jest produktem sztucznej ćwierćinteligencji i zamieszczam ją jako przestrogę dla nauczycieli chcących korzystać z SI na lekcjach. Ewentualnie ten obrazek może posłużyć uczniom do ćwiczeń w wyszukiwaniu błędów chemicznych.
Tak czy inaczej, najlepszą metodą uniknięcia szkodliwych skutków zdrowotnych spożycia alkoholu jest abstynencja…
Wpis opublikowany pierwotnie na Facebooku w grupie „Chemia dla nauczycieli” Wydawnictwa Nowa Era.
[źródła: https://en.wikipedia.org/wiki/Vodka; https://www.npr.org/2018/03/01/590022606/is-there-really-a-difference-between-expensive-vodka-and-cheap-vodka; https://en.wikipedia.org/wiki/Fusel_alcohol; https://en.wikipedia.org/wiki/Congener_(beverages)]
[źródła ilustracji: ID 108153692 | Vodka © Igorr | Dreamstime.com; Victor Moussa – stock.adobe.com; Polmos; rysunek własny; Copilot]