Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

1. Фрагмент мозаики «Икарий и Дионис» из атриума дома Диониса (Пафос, Кипр). Бог виноделия Дионис (слева) и нимфа Акме с чашей вина

Каким же чудом виноградный сок превратился в вино при дворе персидского царя? Сами того не зная, античные химики-любители открыли алкогольную ферментацию – химическую реакцию, которая превращает сахар (см. главу 18, «Сахара, крахмал и углеводы») в алкоголь, то есть вещество, в молекуле которого углерод связывается с группой OH. В виноградном соке эта химическая реакция происходит с помощью микроорганизмов: обитающие на кожице винограда дрожжи под названием Saccharomyces cerevisiae преобразуют в спирт содержащиеся в ягодах природные сахара. Брожение простейшего моносахарида, глюкозы (и ее изомера фруктозы), приводит к возникновению этанола C 2 H 5 OH и углекислого газа CO 2 :

C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2.

Для химиков вино, как и любой алкогольный напиток, представляет собой главным образом смесь воды и этанола. Однако оно содержит и множество других соединений в небольшой пропорции (до 2000 различных молекул). Именно они и придают вину его вкус и цвет.

Искусство винодела – нелегкий труд. Основная сложность заключается в том, что в присутствии кислорода алкоголь легко окисляется и превращается в уксусную кислоту CH 3 COOH. Другими словами, вино превращается в уксус! Римские агрономы и естествоиспытатели, такие как Колумелла и Плиний Старший, оставили рецепты, как это предотвратить. Например, они рекомендовали покрывать амфоры смолой – вероятно, чтобы не позволить воздуху просочиться в сосуд. Современные бутылки имеют безупречную герметичность и не нуждаются в этой сомнительной обработке, но может быть, и неплохо предотвратить проникновение воздуха через пробку с помощью слоя воска. Впрочем, хотя смолу виноградари давно уже не используют, зато часто добавляют в вино диоксид серы SO 2 , который обладает антиоксидантными свойствами.

Великий биолог Луи Пастер (1822–1895) весьма интересовался вином; в частности, он показал, что окисление алкоголя до уксусной кислоты происходит под влиянием бактерий. Труды Пастера подвели научную основу под методы виноградарства, которые на протяжении многих поколений виноделы совершенствовали путем проб и ошибок. Например, известно, что, для того чтобы не допустить длительного брожения виноградного сока вплоть до получения уксусной кислоты, следует вовремя отделить сусло (то есть виноградный сок, получаемый прессованием) от дрожжей. В этом и заключается основная роль фильтрации сусла. С другой стороны, ферментация – это экзотермическая реакция (то есть реакция, проходящая с выделением тепла), поэтому температура сусла может подниматься вплоть до 40 °C. Столь высокая температура может привести к испарению летучих соединений, в том числе ценных фруктовых и цветочных ароматов, которые определяют качество хороших вин. Чтобы сохранить эти природные сокровища, сегодня производители осуществляют так называемую холодную ферментацию при температуре около 18 °C. Химические реакции при этом протекают гораздо медленнее: процесс ферментации занимает примерно три недели вместо обычных 7–8 дней. После ферментации, чтобы удалить некоторые ненужные составляющие, следует провести холодную фильтрацию. Дело в том, что ввиду содержания алкоголя при температуре –4 °C вино еще остается жидким, в то время как упомянутые примеси при этой температуре уже затвердевают, что позволяет их легко отделить. Что же касается температуры, при которой вино начинает замерзать, то она убывает на треть градуса с каждым процентом спирта в объеме [14] Когда крепость вина составляет 10°, это означает, что концентрация этанола составляет 10 % объема. Из литра этого вина можно извлечь децилитр чистого спирта (при 20 °C). Плотность этанола составляет 0,787 г на литр, следовательно, четверть литра вина 12° содержит чуть менее 24 г спирта. (илл. 2).

2. Температура, при которой водно-спиртовой раствор начинает затвердевать, в зависимости от массовой доли этанола, выраженной в процентах. Заметим, что вплоть до объемной доли алкоголя в 93 % температура, при которой смесь замерзает, монотонно убывает и достигает значений заметно ниже температуры замерзания чистой воды (0 °C). Алкоголь – это антифриз!

Приведенные факты объясняют, почему современные винные заводы часто выглядят подобно лабораториям! Можно углубиться в эту тему, но давайте пока обсудим некоторые физические свойства самого вина.

Если осторожно вращать бокал вина, немного его наклоняя, чтобы намочить стенки, то можно наблюдать любопытное явление (см. главу 14, врезку «Условия появления «винных слез»). Внутри бокала образуется винная пленка, с верхнего края которой стекают вязкие капли, называемые «винными ножками», или «винными слезами» (илл. 3). Эти капли медленно стекают по стеклу, и вместо них возникают новые. Это необычное явление связано с тем, что спирт более летуч, чем вода: его молекулы испаряются из этой тонкой и широкой области гораздо быстрее, чем молекулы воды. В результате поток жидкости ползет по стеклу вверх, чтобы эту убыль компенсировать. И дело тут не только в выравнивании концентраций, но, как заметил в 1865 году итальянский физик Карло Марангони, и в минимизации поверхностной энергии пленки, так как поверхностное натяжение воды выше, чем у алкоголя (см. таблицу в главе 6).

Так что же происходит с этим восходящим потоком? На определенной высоте сила, связанная с градиентом коэффициента поверхностного натяжения, тянущая пленку вверх, и сила тяжести уже поднятого объема пленки уравновешиваются. Пленка перестает подниматься, поступающая жидкость накапливается в венчике, образующемся по периметру бокала. Подобно тому как поток жидкости из крана разбивается на капли, так, из-за неустойчивости Рэлея – Плато (см. главу 6, «Капающий кран»), оказывается неустойчивым и этот венчик. Вдоль него образуются более толстые и более тонкие области, что приводит к нарушению равновесия: жидкость из первых проливается вниз, и вино «слезится», стекая по поверхности бокала. При этом восходящий поток жидкости постоянно подпитывает венчик, так что процесс продолжается до тех пор, пока концентрация алкоголя в вине остается достаточной.

3. «Винные слезы», также называемые «винными ножками»