La química del agua carbonatada

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El agua carbonatada (también conocida como agua de soda, agua con gas, agua gasificada o (especialmente en Estados Unidos) como agua de seltz) es agua que contiene gas de dióxido de carbono disuelto, ya sea inyectado artificialmente bajo presión o debido a procesos geológicos naturales. La carbonatación hace que se formen pequeñas burbujas, lo que da al agua una calidad efervescente. Las formas más comunes son el agua mineral natural con gas, la soda y el agua con gas producida comercialmente.

La soda club y el agua mineral con gas, así como algunas otras aguas con gas, contienen minerales añadidos o disueltos, como bicarbonato de potasio, bicarbonato de sodio, citrato de sodio o sulfato de potasio. Estos minerales se encuentran de forma natural en algunas aguas minerales, pero también suelen añadirse artificialmente a las aguas fabricadas para imitar un perfil de sabor natural. Varias aguas carbonatadas se venden en botellas y latas, y algunas también se producen bajo demanda mediante sistemas comerciales de carbonatación en bares y restaurantes, o se hacen en casa utilizando un cartucho de dióxido de carbono.


El origen del agua carbonatada artificial

Joseph Priestley fue el pionero de un método de carbonatación en el siglo XVIII
Joseph Priestley fue el pionero de un método de carbonatación en el siglo XVIII

Se cree que la primera persona que aireó el agua con dióxido de carbono fue William Brownrigg en 1740. Joseph Priestley inventó el agua carbonatada, de forma independiente y por accidente, en 1767, cuando descubrió un método para infundir agua con dióxido de carbono después de haber suspendido un cuenco de agua sobre una cuba de cerveza en una cervecería de Leeds, Inglaterra. Escribió sobre la «peculiar satisfacción» que encontró al beberla, y en 1772 publicó un trabajo titulado Impregnación del agua con aire fijo.

El aparato de Priestley, casi idéntico al utilizado por Henry Cavendish cinco años antes, que contaba con una vejiga entre el generador y el tanque de absorción para regular el flujo de dióxido de carbono, fue pronto seguido por una amplia gama de otros diseños. Sin embargo, no fue hasta 1781 cuando se empezó a producir agua carbonatada a gran escala con la creación de empresas especializadas en la producción de agua mineral artificial. La primera fábrica fue construida por Thomas Henry, de Manchester, Inglaterra. Henry sustituyó la vejiga del sistema de Priestley por grandes fuelles.

Aunque el descubrimiento de Priestley condujo a la creación de la industria de las bebidas refrescantes, no se benefició económicamente de su invento. Sin embargo, recibió el reconocimiento científico cuando el Consejo de la Royal Society «se animó a premiar a su descubridor con la Medalla Copley» en 1772.


La química detrás del sabor

Las aguas carbonatadas naturales y manufacturadas pueden contener una pequeña cantidad de cloruro de sodio, citrato de sodio, bicarbonato de sodio, bicarbonato de potasio, citrato de potasio, sulfato de potasio o fosfato de sodio, dependiendo del producto. Estos elementos se encuentran de forma natural en las aguas minerales, pero se añaden artificialmente a las aguas producidas comercialmente para imitar un perfil de sabor natural.

Los pozos artesanales de lugares como Mihalkovo, en los montes Ródopes búlgaros, Medžitlija, en el norte de Macedonia, y sobre todo Selters, en los montes Taunus alemanes, producen aguas minerales naturalmente efervescentes.

En el caso de las bebidas gaseosas, el ingrediente activo es el dióxido de carbono (CO2). Este gas incoloro e insípido está presente de forma natural en la atmósfera en pequeñas cantidades (alrededor del 0,04%) y desempeña un papel fundamental en la regulación de las temperaturas. Es uno de los gases de efecto invernadero que absorbe la radiación infrarroja del sol, lo que ayuda a controlar la cantidad de calor que llega a la superficie de la Tierra. Los seres humanos, los animales y la mayoría de las bacterias lo exhalan, y las plantas lo absorben y lo utilizan para fabricar azúcares en la fotosíntesis, en un constante batido conocido como el ciclo del carbono.

La idea de la carbonatación no es nueva. La cerveza existe desde hace casi tanto tiempo como el ser humano, y este proceso produce el CO2 que da a la cerveza su espuma. Sin embargo, este proceso no se aplicó a las bebidas no elaboradas hasta el siglo XVIII. El químico inglés Joseph Priestley, descubridor del oxígeno, conectó una botella de agua a un barril de cerveza y observó que parte del gas producido por el proceso se disolvía en el agua y se liberaba al abrir la botella. El dióxido de carbono no había sido identificado en ese momento, por lo que lo llamó aire fijo. En el panfleto que Priestley publicó para anunciar su descubrimiento, sugirió que el agua con aire fijo no se agriaba como el resto del agua y que podría tener usos medicinales. Más tarde lo describió como su «invento más feliz».

Producción industrial de agua carbonatada

Retrato Jacob Schweppe durante su estancia en Londres de 1792-1799. Schweppe fue uno de los primeros fabricantes de agua carbonatada industrialmente
Retrato Jacob Schweppe durante su estancia en Londres de 1792-1799. Schweppe fue uno de los primeros fabricantes de agua carbonatada industrialmente

El aparato de Priestley, que era muy similar al inventado por Henry Cavendish cinco años antes, contaba con una vejiga entre el generador y el tanque de absorción para regular el flujo de dióxido de carbono, y pronto se le sumaron muchos otros, pero no fue hasta 1781 cuando se empezó a producir agua carbonatada a gran escala con la creación de empresas especializadas en la producción de agua mineral artificial.


La primera fábrica fue construida por Thomas Henry, de Manchester (Inglaterra), quien sustituyó la vejiga del sistema de Priestley por grandes fuelles. J. J. Schweppe desarrolló un proceso para fabricar agua mineral carbonatada embotellada basado en el descubrimiento de Priestley, fundando la compañía Schweppes en Ginebra en 1783. Schweppes considera a Priestley como «el padre de nuestra industria». En 1792 se trasladó a Londres para desarrollar allí el negocio.

En 1799 Augustine Thwaites fundó en Dublín la empresa Thwaites’ Soda Water. Un artículo del London Globe afirma que esta empresa fue la primera en patentar y vender «agua de soda» con ese nombre. El artículo dice que en el caluroso verano de 1777 en Londres se vendían bien las «aguas gaseosas» (es decir, carbonatadas), pero aún no se mencionaba el «agua de soda», aunque las primeras bebidas efervescentes se hacían probablemente con «polvos de soda» que contenían bicarbonato de sodio y ácido tartárico. El nombre de agua de soda surgió del hecho de que a menudo se añadía soda (carbonato o bicarbonato de sodio) para ajustar el sabor y el pH.

El agua carbonatada moderna se fabrica inyectando dióxido de carbono a presión en el agua. La presión aumenta la solubilidad y permite que se disuelva más dióxido de carbono del que sería posible a la presión atmosférica estándar. Cuando se abre la botella, se libera la presión, lo que permite que el gas salga de la solución, formando las características burbujas.

El proceso de carbonatación

¿Cómo funciona la carbonatación? El proceso básico consiste en forzar la disolución del dióxido de carbono en el agua. Para ello se necesitan dos cosas: baja temperatura y presión. El CO2 se disuelve mucho mejor en agua fría que en caliente. A la temperatura de unos 8 °C que recomiendan la mayoría de los fabricantes de refrescos, 2,2 pintas (1 litro) de agua pueden absorber unos 3 gramos de CO2. A una temperatura ambiente típica de 15 °C, la cantidad se reduce a poco más de 2 gramos. La presión es el otro factor. Cuanto mayor sea la presión del gas CO2, más rápida y completamente se disolverá en el agua. Así que, para carbonatar el agua, hay que enfriarla y luego aplicar CO2 a alta presión.


Detalle de un vaso con agua carbonatada
Detalle de un vaso con agua carbonatada

Los fabricantes de refrescos utilizan un tubo o varilla que se introduce en el agua cuando la carbonatan. El CO2 se disuelve en el agua en su superficie, y la creación de burbujas aumenta esta área y ayuda a disolver más dioxido de carbono. Fíjate bien cuando hagas agua con gas. Puedes ver que algunas de las pequeñas burbujas desaparecen por completo antes de llegar a la superficie porque todo el CO2 que forma la burbuja se ha disuelto.

Después de un tiempo, el agua habrá absorbido todo el CO2 que pueda. Mientras haya suficiente presión en el gas CO2 por encima del agua, el dióxido de carbono disuelto no puede escapar. Esto constituye un equilibrio entre fases: La presión del gas CO2 impide que el dióxido de carbono disuelto en el agua se escape, y la cantidad de CO2 disuelto en el agua impide que más gas se disuelva en el agua.

Aunque la cantidad de CO2 que puede disolverse en el agua disminuye a medida que aumenta la temperatura, este equilibrio se mantiene. Esta combinación de factores genera una solución sobresaturada: El agua retiene más CO2 del que podría absorber a esa temperatura. No tiene adónde ir hasta que se abre la botella, o la presión del gas rompe o revienta la botella. Las botellas de plástico y las latas de metal son increíblemente resistentes, pero pueden estallar si están a una temperatura alta, por ejemplo, en el interior de un vehículo un día caluroso.

Una peculiaridad de la carbonatación es lo que ocurre si se congela una bebida carbonatada: La botella o la lata suelen reventar. Dado que el agua fría contiene más CO2 que la caliente, cabría esperar que ocurriera lo contrario. Pero el agua fría y el hielo no son lo mismo, y el dióxido de carbono no es soluble en el hielo. Cuando se congela una botella de refresco, el agua se congela y expulsa el CO2. Esto crea una enorme presión de gas dentro de la lata. Al final, la combinación de esta presión y la expansión del hielo (que es menos denso que el agua) hará estallar la botella o la lata. Por eso no se congelan los refrescos.

También explica la eficacia de dar a alguien una lata de refresco que ha estado un rato en el congelador para que salga a borbotones cuando la abra. El refresco casi congelado empuja el CO2 hacia fuera, lo que crea la presión para que la broma funcione.


Abriendo el recipiente

Cuando se abre una lata o una botella de refresco, se rompe el equilibrio. El gas sale a toda prisa y reduce la presión en la superficie del agua. De repente, el CO2 disuelto en el agua tiene un lugar al que ir, así que empieza a escapar. Sin embargo, no sólo sale a toda prisa por la parte superior. Se forman pequeñas burbujas que van creciendo a medida que suben. Esto se debe a que estas burbujas son pequeñas superficies en el agua, y más del dióxido de carbono se une a medida que suben.

Las burbujas de gas se forman en las pequeñas imperfecciones de la superficie, en un proceso de nucleación
Las burbujas de gas se forman en las pequeñas imperfecciones de la superficie, en un proceso de nucleación

Sin embargo, estas burbujas no se forman en cualquier lugar. Suelen empezar en la superficie del vaso, la botella o la lata en la que se encuentra la bebida, porque las pequeñas imperfecciones de la superficie forman un punto para que se formen las diminutas burbujas iniciales. Por eso se ven chorros de burbujas que suben: Las burbujas se forman en estas imperfecciones hasta que son lo suficientemente grandes como para romperse y subir, y una nueva burbuja se forma en la imperfección, y así sucesivamente.

Por eso también funciona el truco de fiesta de crear una fuente de soda dejando caer un caramelo de menta en una botella, porque la superficie del caramelo de menta está cubierta de imperfecciones, lo que crea una repentina oleada de burbujas y una fuente de soda.

Un toque de ácido

Sin embargo, la carbonatación no es sólo una cuestión de burbujas. El proceso también cambia el sabor del agua creando un sabor agudo y picante que puede complementar algunas bebidas. Lo que quizá no sepas es que esto se debe a un ácido. Cuando el dióxido de carbono se disuelve en el agua, parte de él reacciona con el agua para formar ácido carbónico (fórmula química H2CO3). Se trata de un ácido bastante débil, pero es una parte importante del proceso porque le da al agua con gas el toque que algunos encuentran atractivo. El ácido carbónico también tiene un ligero efecto antibiótico que impide que las bacterias crezcan en el agua.

Otro aspecto químico interesante: Hasta hace poco, los científicos pensaban que el ácido carbónico no podía existir por sí mismo fuera del agua. Pensaban que, sin el agua en la que normalmente se disuelve, se descompondría inmediatamente. Pero en 2011, los científicos consiguieron aislar el ácido carbónico y crear por primera vez ácido carbónico sólido y gaseoso estable. Es increíble pensar que en cada sorbo de agua con gas hay una sustancia que los científicos no aislaron hasta esta década. A veces, incluso los aspectos mundanos y cotidianos de la ciencia de los aparatos pueden contener sorpresas.


Para más información Appliance Science: The compressed chemistry of carbonation

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