Если растворить мел в воде: Что произойдет,если в воду насыпать измельченный мел

Для создания пивоваренной воды с временной жесткостью (щелочность и кальциевая жесткость) необходим мел (CaCO ₃ ). Мел, однако, плохо растворяется в воде, и большая часть добавленного остается во взвешенном состоянии или оседает на дно. В этой статье описывается, как при желании можно растворить мел.

Содержание

• 1 О меле и карбонатной системе
• 2 Зачем растворять мел
• 3 Как растворить мел с помощью газированной воды
• 4 Процесс шаг за шагом
  • 4.1 Расчет добавок соли
    • 4.1.1 Шаг 1
    • 4.1.2 Шаг 2
    • 4.1.3 Шаг 3
    • 4.1.4 Шаг 4
    • 4.1.5 Шаг 5
  • 4.2 Производство воды для пивоварения
• 5 Ссылки

Если вы не хотите заморачиваться с химией растворения мела, можете смело пропустить этот шаг.

Мел, также известный как карбонат кальция (CaCO ₃ ), представляет собой соль угольной кислоты. Это ионы кальция (Ca ²⁺ ) и карбоната (CO ₃ ^2-). Если мы что-то и знаем о меле в пивоварении, так это то, что он плохо растворяется в воде. Это связано с тем, что произведение растворимости между кальцием и карбонатом очень мало. Химики пишут так:

[Ca ²⁺ ]*[CO ₃ ^2- ] ≤ K _sp = 3,36×10 ^-9

(обозначение концентрации в скобках) определенные ионы. Эта формула означает, что вода может удерживать кальций и карбонат в растворе только до тех пор, пока произведение их концентраций меньше или равно 3,36×10 ^-9 (0,00000000336). Если произведение больше, то карбонат кальция будет осаждаться до тех пор, пока из воды не будет удалено достаточное количество кальция и карбоната, чтобы удовлетворить уравнению.

Но как растворить карбонат кальция в воде? Мы делаем это, удаляя карбонат, который добавляет мел при растворении. Чтобы понять это, мы должны взглянуть на угольную кислоту и карбонатную систему. Углекислота образуется при растворении углекислого газа в воде. Не весь растворенный диоксид углерода (CO ₂ ) будет образовывать угольную кислоту, но некоторые из них образуют угольную кислоту в соответствии с этим химическим уравнением:

CO ₂ + H ₂ O ↔ H ₂ CO ₃

Рисунок 1 — Превращение угольной кислоты в карбонат через бикарбонат и обратно в угольную кислоту

Знак «↔» означает, что между обеими сторонами существует постоянное движение вперед и назад. т.е. образуется угольная кислота, которая постоянно распадается на CO ₂ и воду. Но в среднем всегда имеется определенная часть СО ₂ , связанная в виде угольной кислоты. Интересная особенность угольной кислоты заключается в том, что это слабая кислота, которая может терять до двух протонов (H ⁺ ). Мы рассмотрели слабые кислоты в разделе «Слабые кислоты и основания», где увидели, что потеря или принятие протонов зависит от pH окружающей среды. Когда молекула угольной кислоты теряет один протон, она становится ионом бикарбоната:

H ₂ CO ₃ ↔ HCO ₃ ^— + H ⁺

Этот процесс обратим. т.е. если ион бикарбоната захватывает протон, он становится угольной кислотой.

Когда ион бикарбоната теряет протон, он становится карбонатом:

HCO ₃ ^— ↔ CO ₃ ^2- + H ⁺

Этот процесс показан на рис. называется, [deLange] зависит от pH, поскольку именно pH определяет, сколько H ⁺ доступно. Чем их больше, тем больше угольной кислоты, а чем меньше, тем больше карбоната. На рисунке 2 эти относительные концентрации представлены в виде % от общего количества угольной кислоты + бикарбоната + карбоната в диапазоне pH от 0 до 14.

Рисунок 2 — Относительная концентрация угольной кислоты, бикарбоната и карбоната в зависимости от рН раствора. EPA (Агентство по охране окружающей среды) рекомендует питьевую воду с pH от 6,5 до 8,5 [EPA]

Но как это связано с растворением мела? Что ж, ранее мы видели, что нам нужно удалить карбонат, который растворяющийся мел вносит в воду, чтобы позволить мелу раствориться. Это делается путем преобразования карбоната в бикарбонат. Этот процесс потребляет протоны. Именно эти протоны мы должны поставлять, чтобы растворить больше мела, чем вода может удержать без посторонней помощи.

Чтобы получить эти протоны, нам нужно добавить кислоту. В конце концов, это то, что делает кислота, она добавляет протоны и в результате снижает pH раствора. Для кислот у нас есть в основном два варианта: угольная кислота или другие кислоты. Давайте посмотрим, что происходит, когда мы добавляем кислоту, отличную от угольной кислоты. Например, соляная кислота, которая в воде распадается на протон (H ⁺ ) и ион хлорида (Cl ^— ):

2H ⁺ + 2Cl ^— + CaCO ₃ → H ₂ O + CO ₂ + 2Cl ^— + Ca ²⁺

Результат реакции соляной кислоты с мелом, который представляет собой воду, CO _{1 2 2 1 2 , хлорид (Cl ^—) и кальций (Ca ²⁺ ). Глядя на эти результаты, мы могли бы сделать эту модификацию воды намного проще, просто добавив хлорид кальция в качестве соли. Одной из причин, по которой мы хотим растворить мел в воде, является увеличение ее щелочности, вызванное ионами бикарбоната и карбоната. Если содержание бикарбонатов или карбонатов в воде не изменится, ее щелочность также не изменится.}

Кислоты, кроме угольной кислоты, не действуют. Так насчет угольной кислоты. Когда угольные кислоты превращаются в бикарбонаты, они теряют протон, который может превращать ионы карбоната, добавленные мелом, в бикарбонат. Вот как это выглядит:

H ₂ CO ₃ → HCO ₃ ^— + H ⁺

HCO ₃ ^— + H ⁺ + CaCO ₃ → Ca ²⁺ + 2HCO ₃ ^—

Молекула мела распалась на ион кальция и ион бикарбоната. Другой ион бикарбоната происходит от карбоновых кислот, потерявших протон. Поскольку этот протон был потерян при растворении мела, мы можем сказать, что одна молекула мела также ответственна за создание этого иона бикарбоната. В конце концов одна молекула мела при растворении с угольной кислотой образует один ион кальция и два иона бикарбоната.

Рисунок 3 — Давление CO2, необходимое для растворения определенной концентрации мела в воде. Обратите внимание, что обе оси x и y отмечены логарифмической шкалой (источник данных Википедия — Растворимость карбоната кальция

Получить углекислоту в воду так же просто, как добавить в нее CO ₂ . Ранее мы видели, как часть CO ₂ , растворенная в воде, образует угольную кислоту. Однако для растворения значительного количества мела требуется гораздо больше CO ₂ , чем дает атмосфера. Из газирования пива мы знаем, что содержание CO ₂ в пиве зависит от его температуры и давления в свободном пространстве CO ₂ . То же верно и для воды: чем выше CO ₂ давление, тем выше количество растворенного CO ₂ . Используя ряд уравнений химического равновесия, отношение между давлением CO ₂ над водой можно соотнести с количеством мела, которое может быть растворено в этой воде [ДеЛанж]. На рисунке 3 показано, как давление CO ₂ коррелирует с количеством меловой воды, которое может удерживать. Обратите внимание, что обе оси x и y являются логарифмическими и что кажущаяся линейной зависимость на самом деле близка к кубической функции. На практике это означает, что растворение более ~800 частей на миллион CaCO ₃ в воде непрактично, так как требует значительного давления CO2, к которому у нас обычно нет доступа. Это необходимо иметь в виду для предлагаемой процедуры растворения мела, которая изначально растворяет весь мел в объеме меньшем, чем фактический объем воды для пивоварения.

Рисунок 4 – рН затора для затора, приготовленного с дистиллированной водой и различными уровнями добавления мела. В одной серии экспериментов мел растворялся с помощью CO2, в то время как в другой серии мел не растворялся

Теперь, когда мы знаем, как растворять мел в воде, мы должны спросить себя, зачем прикладывать такие усилия? Тем более, что затор создаст кислую среду, которая должна растворить весь мел, который не растворился в воде. При рН затора (~ 5,5) менее 0,00005 % углеродных соединений представляют собой карбонаты.

Однако по какой-то причине эксперименты с pH затора, проведенные с взвешенным и растворенным мелом, показали, что взвешенный, т.е. нерастворенный мел, имеет ограниченную способность повышать pH затора. Это показано на рис. 4. Нерастворенный мел не смог повысить рН затора более чем на 0,2 единицы. Это имело место как для солодового затора Pilsner, так и для мюнхенского солода и, похоже, не зависело от кислотности солода. С другой стороны, растворенный мел показал довольно линейную зависимость между концентрацией мела и рН.

Я проверил это в параллельном эксперименте, в котором я варил шварцбир из воды с взвешенным мелом и воды с растворенным мелом. Основываясь на исследовании pH затора, я знал, что при его растворении я мог бы использовать только половину мела и все равно получить тот же pH затора. Что и подтвердилось в эксперименте.

Если вы хотите варить в соответствии с немецким Reinheitsgebot , вам придется растворить мел, так как добавление солей в затор или использование воды, не соответствующей стандартам питьевой воды, не допускается.

При всем при этом растворение мела для создания воды для пивоварения следует рассматривать как технику для продвинутого пивовара. Я варил много отличного пива, добавляя мел прямо в затор или не растворяя его в воде для пивоварения, и только недавно начал растворять мел в воде для пивоварения. Как и во многих других методах, пивовар должен сам убедиться, стоит ли это дополнительных усилий.

Чтобы сварить будущую партию Kaiser Alt, я хочу имитировать профиль воды в городе Дюссельдорф, где варится большинство альтов в Германии. Одна из самых известных пивоварен Альт, Zum Uereige , однако, не использует городскую воду. Согласно этому онлайн-заявлению, вода для пивоварни поступает из собственного глубокого колодца. Общественная вода Дюссельдорфа, с другой стороны, в основном представляет собой очищенную и обработанную воду из реки Рейн .

Текущий отчет о воде для Дюссельдорфа доступен в Интернете: отчет о воде в Дюссельдорфе, и после расчета остаточной щелочности для этой воды можно найти 108 частей на миллион как CaCO ₃ или 6,1 dH (dH — жесткость по-немецки). Такая остаточная щелочность хорошо подходит для варки пива темного янтарного цвета, такого как Alt, и я предполагаю, что большинство пивоварен Alt используют городскую воду без какой-либо обработки воды.

Расчет добавок соли

Для того, чтобы правильно рассчитать добавление растворенного мела, вам потребуется электронная таблица воды для пивоварения, которая поддерживает растворенный мел. Большинство доступных электронных таблиц этого не делают, поскольку они предполагают, что каждая молекула мела вносит только один ион бикарбоната. Вы можете проверить это, добавив 1 г мела на 1 л (3,78 г на 1 галлон) воды. Если результирующая щелочность (не остаточная щелочность) составляет 490-500 ppm в виде CaCO3, учитывается только половина потенциала щелочности мела, и предполагается, что мел не растворяется в воде. Моя таблица распределения воды, Kaiser_water_calculator.xls, поддерживает как растворенный, так и нерастворенный мел в воде для пивоварения. Как правило, при растворении мела требуется только половина количества мела, чтобы получить воду с такой же остаточной щелочностью, как и при приготовлении воды с нерастворенным мелом.

Шаг 1

В «расширенном» рабочем листе введите начальный профиль воды. Я использую воду обратного осмоса, которая очень мягкая и для которой у меня есть анализ воды. Если вы используете воду обратного осмоса и у вас нет анализа, просто оставьте поля для начального профиля воды 0. Из-за низкой концентрации ионов по сравнению с конечной концентрацией ионов в воде для пивоварения ошибка будет минимальной и слишком малой, чтобы иметь значение.

Шаг 2

С учетом полученного профиля воды (секция внизу или в самой правой колонке) введите концентрацию солей для пивоварения. Вместо того, чтобы вводить окончательные количества необходимых солей и учитывать объем воды, которая будет обрабатываться, соли вводятся в виде частей на миллион (эквивалентно мг/л). Это делает «рецепт воды» независимым от объема воды, которую необходимо обработать. Как только объем воды известен, электронная таблица вычисляет необходимое количество солей и отображает их в следующем разделе.

Шаг 3

Проверьте полученный профиль воды. Если вы сравните этот профиль с отчетом по водным ресурсам Дюссельдорфа, на который ссылались ранее, вы обнаружите, что они очень близки. Это не всегда возможно, так как мы, пивовары, не имеем в своем распоряжении всех комбинаций катионов (положительных ионов) и анионов (отрицательных ионов), то есть солей. В этих случаях сосредоточьтесь на согласовании остаточной щелочности, содержания кальция, сульфатов и хлоридов в воде.

Шаг 4

Теперь пришло время ввести общий объем воды и объем ударной воды. Электронная таблица рассчитает объем промывной воды на основе этих чисел. Вы также должны ввести вес зерна, что позволит рассчитать густоту затора. Густота затора важна для оценки pH затора по цвету пива и остаточной щелочности, поскольку густота затора определяет сдвиг pH, который вызывает данная остаточная щелочность.

Как только вы введете цвет пива в SRM и сколько специальных солодов являются жареными солодами, можно будет сделать оценку pH затора. В данном случае это 5,5, что вполне приемлемо в диапазоне 5,2–5,7. В правом нижнем углу раздела pH затора также показаны оценки остаточной щелочности, которая необходима для достижения pH затора 5,2, 5,4 и 5,6 соответственно. Большой диапазон от ~-100 до ~200 ppm для CaCO ₃ показывает, насколько широкий диапазон пивоваренной воды можно использовать для варки пива 20 SRM с плотностью затора 4 л/кг (~2 кварты/фунт).

Шаг 5

Используя ранее указанные объемы воды, рассчитывается необходимое количество солей. Поскольку у меня нет возможности обрабатывать всю воду сразу, мне приходится обрабатывать затор и воду для промывки отдельно. Но для тех, кто может обработать всю необходимую воду сразу, также даются количества, необходимые для общего объема.

Для растворения мела представляет интерес раздел «Растворение мела». Здесь вы вводите объем воды, в котором будет растворяться мел, и таблица оценивает минимальное содержание CO ₂ давление, необходимое для растворения мела. Вы быстро обнаружите, что зависимость между концентрацией мела и давлением не является линейной, и что давление резко возрастает, как только вы превысите примерно 750-800 частей на миллион. В результате эта концентрация мела обычно является практическим пределом, и чтобы растворить больше мела, вам нужно растворить его в большем количестве воды.

Если возможно, я предпочитаю растворять свои меловые добавки в 2-литровых бутылках из-под газировки, и в этом случае это будет возможно. Использование 1.9л для растворения заторной воды и 1,6 л для растворения промывочной воды. Мне нужно только 1,55 бар (23 фунта на кв. дюйм) и 1,38 бар (20 фунтов на кв. дюйм) соответственно. Эти значения давления являются абсолютными, что означает, что они включают атмосферное давление и что я должен использовать >0,55 бар (> 8 фунтов на кв. дюйм) и > 0,38 бар (> 6 фунтов на кв. дюйм) в качестве настройки на регуляторе. Регулятор давления CO ₂ измеряет давление, превышающее атмосферное давление.

Создание пивоваренной воды

Альтернативным сосудом для растворения мела являются банальные бочонки. Их преимущество заключается в том, что они способны удерживать большие объемы воды, в результате чего концентрация мела может быть намного ниже. При этом необходимое давление CO ₂ существенно ниже. Основным недостатком является сложность визуального контроля, так как для этого требуется взятие пробы. Но из-за более низкого давления CO ₂ , которое необходимо, гораздо более вероятно, что весь мел растворится в большем объеме воды в банальном бочонке по сравнению с ограничением в 2 литра в бутылке из-под содовой.

[deLange] A. J. deLange, Щелочность, жесткость, остаточная щелочность и фосфаты солода: факторы, определяющие pH затора, 2004 г.

[EPA] epa.gov, Вторичные правила питьевой воды