Сергей Михайлович
04 авг 2009, 11:34
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
ЭТИЛОВОГО СПИРТА
1. ОБЪЕМНЫЕ ПРОЦЕНТЫ И МЕНДЕЛЕЕВСКИЕ ГРАДУСЫ
1.1 Как известно, крепкий спиртной напиток – водка – представляет собой водный раствор этилового спирта с массовой долей
спирта примерно 33,5 %. Однако, в ликеро – водочном производстве содержание спирта в спиртных напитках принято выражать
объемной долей, то – есть, количеством объемов спирта в объеме раствора. Здесь существует два разных подхода.
1.2 Первый из них заключается в том, что во внимание принимают объем исходных продуктов – спирта и воды, и объемную долю
спирта от суммарного объема исходных продуктов до их смешивания. Вычисленную таким образом долю называют объемным процентом
и обозначают “% объемн.” Такой способ определения содержания спирта в напитках (их крепости) принят на Западе. Например, 400
мл спирта предполагают смешать с 600 мл воды. Суммарный объем исходных продуктов 1000 мл. Доля спирта – 40% объемных.
1.3 Второй способ, предложенный Д.И.Менделеевым во 2 – й половине XIX века, отличается от первого тем, что объемную долю
спирта вычисляют от объема получившейся смеси. Различие здесь в том, что при смешивании воды и спирта объем получившейся
смеси всегда меньше, чем объем исходных продуктов. Происходит это за счет явления контракции, или сжатия, смеси, которое
сопровождает смешивание спирта и воды. Эффект контракции был открыт и детально изучен Д.И.Менделеевым при работе над
докторской диссертацией “О соединении спирта с водой”, которую он защитил в 1865 г.
Количественно эффект “сжатия” зависит от соотношения смешиваемых количеств спирта и воды. При доле спирта порядка 40 %
объемных сжатие составляет примерно 3,4 %, то – есть, при смешивании 400мл спирта и 600 мл воды получается не 1000 мл смеси,
а не 34 мл меньше. Это сжатие предложил учитывать Д.И.Менделеев. При учете сжатия для получения 1000 мл смеси объем исходных
продуктов должен быть не 1000 мл, а 1034 мл (400 мл спирта и 634 мл воды). При этом объемную долю спирта, содержащегося в
готовой смеси, Менделеев предложил называть градусом.
Таким образом, 1 градус есть 1/100 литра чистого 100% - ного спирта, содержащаяся в 1 литре спиртовой смеси. То – есть,
градус тоже есть объемная доля спирта, как и в случае объемных процентов, но по отношению к объему получившейся смеси , а не
к объему исходных продуктов. Из – за эффекта сжатия объемные проценты несколько “крепче” менделеевских градусов, особенно
для крепких напитков, где доля спирта выше и, соответственно, эффект сжатия больше. Например, 40 %объемных соответствуют
41,4 0 менделеевских.
2. ПРОПОРЦИИ ВОДОЧНОЙ СМЕСИ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ
2.1 Но в чем глубинный смысл сообщать водке крепость именно 40 град. менделеевских? Крупнейший специалист по пищевым
продуктам профессор В.В.Похлебкин в книге “Чай и водка в истории России” (Красноярск, 1995 г.) отмечает, что водка именно
менделеевского состава отличается особыми вкусовыми достоинствами и особым, более мягким физиологическим воздействием на
организм человека.
В чем же секрет пропорции, предложенной Менделеевым?
Ни цифра 40 , ни эффект сжатия сами по себе сути дела не проясняют. Не проясняют его и массы спирта и воды, выраженные в
граммах. Но если перейти к массам смешиваемых спирта и воды в грамм – молекулах, то смысл пропорций проясняется: в смеси
спирта и воды, соответствующих 40 град. по Менделееву, на 1 молекулу спирта приходится 5 молекул воды.
2.2 В самом деле. 0,01 л чистого 100% - ного спирта имеет массу 7,893 г (при температуре 20 град. С). 40 град.
соответствует:
7,893 * 40 = 315,7 г
При массе 1 грамм – молекулы спирта 46 г это соответствует
315,7 / 46 = 6,86 грамм – молекул
Масса 634 мл воды при плотности 0,998 г/см3 (при 20 град.С)составляет:
634 * 0,998 = 632,1 г
При массе 1 грамм – молекулы воды 18 г это соответствует
632,1 / 18 = 35,16 грамм – молекул
Отношение грамм – молекул воды и спирта составит, соответственно:
35,16 /6,86 = 5,13
Таким образом, количество молекул воды на 1 молекулу спирта равно 5 с небольшим запасом. Этот запас компенсирует погрешность
дозировки воды и спирта при смешивании (для технологических измерений вполне обычна погрешность порядка 2,5%), так что при
неизбежных погрешностях технологии количество молекул спирта остается не менее 5. Результаты произведенных оценок удобно
представить в виде таблицы:
Таблица 1.Оценка относительного количества молекул воды и спирта в 1 л 40 – градусной водки.
Исходный продукт________________________Вода____________Спирт
Объем исходного продукта, мл___________634_____________400
Плотность (20 С) г/см3__________________0,998___________0,789
Масса исходного прод.,г_________________632,8___________315,7
Масса грамм–молекул, г__________________18______________46
г\Грамм–молекул висходном прод.,шт______35,16___________6,86
Мвод / Мсп отн.ед._______________________________5,13
2,3 А теперь вспомним, что формула этилового спирта С2Н5ОН, а структурная формула имеет вид:
..H H
.. | |
H-C-C-OH
.. | |
..H H
По структурной формуле хорошо видно, что молекула спирта содержит радикал СН3СН2 и гидроксильную группу ОН. 5 атомов
водорода, входящих в радикал, определяют химические свойства молекул спирта. В частности, она легко окисляется (спирт хорошо
горит). Эти же атомы водорода обуславливают действие спирта на вкусовые рецепторы человека – спирт имеет жгучий вкус. Но
когда спирт смешивают с водой, полярные молекулы воды присоединяются к каждому из упомянутых атомов водорода при помощи
полярной связи. Это присоединение энергетически выгодно (смешивание спирта и воды идет с выделением тепла). При пропорции 5
молекул воды на 1 молекулу спирта все атомы водорода в ней оказываются нейтрализованными молекулами воды, то – есть,
молекула спирта находится как бы в водяной “рубашке”.Такая “упаковка” молекул смеси оказывается более плотной (поэтому смесь
сжимается), а атомы водорода, “экранизированные” молекулами воды, не вступают в реакцию окисления (40 – градусная водка не
горит). Это же обстоятельство определяет и воздействие смеси на вкусовые рецепторы (водка не имеет жгучего вкуса), и ее
физическое воздействие на организм. Эти особенности и выделяют русскую водку среди других крепких напитков.
2.3 В те годы, когда Д.И.Менделеев исследовал особенности соединений спирта с водой, понятие “молекула” как отличное от
понятия “атом” еще только формировалось, не было и понятия “грамм - молекула”. Поэтому Дмитрий Иванович не мог сделать
анализ молекулярных соотношений в спирто – водных растворах. Тем не менее, его научный подход к составлению спирто – водной
смеси при изготовлении русской водки обеспечил ей высокое качество и успешный выход на международный рынок. В 1894 г.
менделеевский состав водки был запатентован правительством России под названием “Московская особенная”. Об этом довольно
подробно написал В.В.Похлебкин в уже упоминавшейся книге “Чай и водка в истории России”.
Наряду с другими технологическими особенностями, в частности, с тем, что водку приготовляют на “живой” воде, а не на
дистиллате, менделеевская пропорция воды и спирта отличает истинно русскую водку, что и удостоверяется на этикетках бутылок
с водкой.
3. ДРУГИЕ ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ПРОПОРЦИИ
Как известно, спирт смешивается с водой в любых пропорциях. Наряду с рассматриваемой 40 – градусной, имеются еще две
примечательные смеси.
3.1 Первая из них – с содержанием спирта 57,3 объемных %. Особенность этого раствора заключается в том, что он уже
горит. Видимо, именно поэтому средневековые английские винокуры дали название этой смеси “proof”, что буквально означает
“достаточно”. Именно на этом содержании спирта при перегонке сусла они останавливали технологический процесс, полагая, что
продукт уже достаточно крепкий. В дальнейшем этот раствор служил исходным сырьем для приготовления крепких спиртных
напитков. Причем, крепость их указывалась относительно крепости исходного сырья. Например, крепость в 40 % объемных
обозначали “70% Proof”, то – есть,0,7 от 57 %. Еще и сейчас можно встретить такое обозначение крепости на бутылках с
импортным виски.
Каковы же молекулярные пропорции у смеси с крепостью “Proof”? Вычисления, аналогичные вышеприведенным, показывают, что в
этом случае на 1 молекулу спирта приходится 2,5 молекулы воды, то – есть, в среднем половина атомов водорода не
“экранирована” молекулами воды. Этого достаточно, чтобы смесь горела.
3.2 Еще одна замечательная смесь соответствует содержанию спирта 95,6% весовых. Это так называемая азеотропная смесь, то
– есть, такая, в которой компоненты при нагревании испаряются со скоростями, пропорциональными их содержанию в смеси.
Другими словами, относительное содержание компонент остается неизменным до самого конца процесса выпаривания. Смесь с таким
содержанием спирта называется ректификатом. Именно спирт – ректификат и изготавливается спиртзаводами. Из сказанного
понятно, что чистый
100% - ый спирт простой перегонкой получить невозможно, и для его получения применяют другие, более сложные и дорогие
технологии. Таким образом, спирт – ректификат и служит исходным сырьем для изготовления спиртных напитков. При этом
учитывают, что ректификат уже не содержит 4,4% воды, а плотность его – 0,801 г/см3 – несколько выше, чем у 100% -
ного спирта (0,789 г/см3 при 20град.С).