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

7. Состав жидкой и газообразной фаз водно-спиртового раствора в состоянии равновесия при нормальном атмосферном давлении (101 кПа). Состав каждого состояния указывается на оси абсцисс как молярная доля спирта (которая равна количеству молекул спирта, разделенному на общее количество молекул). Чистая вода закипает при 100 °C, а чистый этанол – при 78,4° C. Между этими двумя температурами сосуществуют две равновесные фазы: например, при 85 °C в жидком состоянии молярная доля спирта около 14 %, в газообразном – около 49 %

Интересно, что существует куда более сильная концентрация, при которой водно-спиртовая смесь испаряется без какого-либо изменения содержания в ней алкоголя вообще (илл. 7). Смесь такой концентрации называется азеотропной : она соответствует спиртовому раствору крепости примерно в 96° (точнее – 93,5 %). Именно по этой причине в аптеке трудно найти более высокую концентрацию спирта, которую невозможно получить путем классической дистилляции (см. врезку «Дистилляция – метод алхимиков»).

Водку пьют охлажденной. Остудить ее в России зимой легко, особенно в Сибири, где средняя температура составляет –10 °C: достаточно ненадолго оставить бутылку на улице. Как известно, если то же самое проделать с бутылкой воды, то бутылка лопнет. При замерзании вода увеличивается в объеме почти на 10 % (см. врезку «Вода – необычная жидкость»). Почему же с бутылкой водки этого не происходит? С одной стороны, как мы видим на илл. 2, водно-спиртовой раствор концентрации в 40°, такой как водка, остается жидким при температурах значительно ниже 0 °C. Если вы для опыта поставите стакан водки в морозильник, то она останется жидкой (конечно, если ваш морозильник не охлаждается до температуры ниже –30 °C). При еще более низких температурах водка все же начинает затвердевать, но происходит это своеобразно: из нее вымораживается вода, то есть образующаяся твердая фаза представляет собой практически чистый лед. Поэтому остающаяся жидкость становится более насыщенным водно-спиртовым раствором и продолжает оставаться жидкой при еще более низких температурах! Таким образом, температура жидкой фазы будет продолжать понижаться до тех пор, пока не сравняется с температурой морозильной камеры. Полностью она перейдет в твердое состояние лишь при температуре порядка –120 °C, которая не наблюдается даже в Антарктиде!

Алхимики были предшественниками современных химиков. Одно из их блестящих изобретений – дистилляция, которая позволяет производить крепкие напитки из вина, или, в более общем плане, разделять жидкую смесь на отдельные компоненты. Рассмотрим илл. 7: при заданной температуре, например 85 °C, вещество в газообразном состоянии, находящееся в равновесии с жидкостью, оказывается намного более насыщенным спиртом. Чтобы увеличить крепость жидкости (например, вина), достаточно просто нагреть его и позволить образовавшемуся пару уйти в холодную емкость, где он сконденсируется. Для практической реализации этого процесса используют так называемый перегонный куб (см. илл.). Например, если постепенно нагревать водно-этаноловую смесь с молярной долей спирта 0,2, то она начинает испаряться при 83,5 °C. Молярная доля спирта в паре уже составит 0,54, и такое же значение будет уже в первых каплях дистиллята. По мере того как испарение продолжается, температура смеси увеличивается и алкоголя становится меньше в обеих фазах, следовательно, уменьшается и концентрация алкоголя в собранной жидкости. Поэтому процесс следует вскоре остановить, пока пар все еще насыщен спиртом.

После первой дистилляции вина получают довольно крепкий самогон. Путем нескольких перегонок получают все более и более концентрированный раствор. Однако его концентрация не может превысить концентрации азеотропной смеси в 96°, или молярной доли 90 %. Для последней пар имеет тот же состав, что и жидкость: восстановленный дистиллят при этом имеет ту же концентрацию, что и нагретый раствор. Применение перегонки не ограничивается производством ликеров: например, в Провансе распространены эфирномасличные предприятия по обработке лаванды. Ароматные эфирные масла, содержащиеся в растении, посредством водяного пара концентрируются в перегонном кубе, что и позволяет их извлечь.

Принцип дистилляции в перегонном кубе. Сначала нагревают емкость с подлежащей перегонке смесью (например, вином). В верхней части емкости концентрируется насыщенный спиртами пар. Затем этот пар постепенно охлаждается в окруженном холодной водой змеевике. В результате на конце змеевика накапливается жидкость – дистиллят

А что произойдет, если поставить в морозильник бокал вина, в котором концентрация этанола намного ниже? В этом случае вино перейдет в состояние, похожее на твердое тело, однако, надавив на него пальцем, вы убедитесь, что это не совсем так. На самом деле это множество ледяных зерен, окруженных более концентрированным по сравнению с вином раствором алкоголя. Эта жидкость прилипает к зернам льда, и ее нелегко отделить. Поэтому кристаллизация не является удобным способом повысить концентрацию алкоголя в напитке – предпочтительнее дистилляция.

8. Смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в различных странах в зависимости от среднесуточного потребления животных жиров. Во Франции эта величина оказывается аномально низкой: так называемый французский парадокс

В этой главе мы затронули физические и химические свойства вина, а также поговорили о его месте в нашей цивилизации и о радости, которую оно может принести в нашу жизнь. Чтобы подвести итог, добавим несколько слов и о его влиянии на здоровье. Последствия чрезмерного употребления алкоголя крайне серьезны и хорошо известны: цирроз печени, рак, психические заболевания, дорожно-транспортные происшествия… А что насчет умеренного употребления?

«Вино по праву можно считать самым полезным и здоровым напитком», – писал Пастер в 1866 году в книге, посвященной болезням вина [15] Болезни вина – нежелательные изменения химического состава и вкусовых качеств вин, вызываемые деятельностью микроорганизмов. – Прим. ред. . Но его утверждение не могло основываться на реальных статистических данных: многие из них были получены только в конце XX века. Сегодня этим занимается эпидемиология – наука, роль которой заключается в изучении влияющих на здоровье и возникновение болезней факторов (а не только эпидемий).