Газированная вода

Нижегородский научный центр Российской академии наук  (ННЦ РАН)

Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

Конференция исследовательских работ школьников «Школа юного исследователя»

Секция: Химия

Газированная вода

Организация, представляющая работу:

МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 27», г. Дзержинск, Нижегородской области, проспект Свердлова 88а, телефон: (8313) 33-17-23

Научный руководитель:

Дранишникова Любовь Ивановна, МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №27» г.Дзержинска Нижегородской области, учитель химии высшей категории, к.п.н.

Работу выполнил: ученица 10 «Б» класса МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 27» г. Дзержинска Нижегородской области Морозова Ангелина Александровна

Дзержинск

2015г.

Содержание

1. Введение ……………………………………………………. стр. 3;

1. Актуальность .………………………………….…… стр. 3;
2. Проблема исследования ……………………….…… стр. 3;
3. Цель ………………………………………………….. стр. 3;
4. Задачи ………………………………………….…….. стр. 3;
5. Методы исследования ……………………….……… стр. 3;
6. Оригинальность и новизна …………………………. стр. 3;

2. Основная часть……...….……………………………………. стр. 4;

2.1. Описание методов исследования …………….………... стр. 4;

2.2. История ……………………………………….………… стр. 4;

2.3. Классификация ………………………………………… стр. 4;

2.4. Получение ……………………………………………… стр. 5;

2.5. Состав ……………………………………...…………… стр. 6;

2.6. Влияние на здоровье …………………………………... стр. 7;

2.7. Практическая часть ...………………………………..… стр. 8;

2.7.1. Опыт № 1……………………………………………… стр. 9;

2.7.2. Опыт № 2………………………………….…………. стр. 10;

2.7.3. Опыт № 3…………………………….…………......… стр.12;

3. Заключение ...……. ……………………………………….. стр. 13;
4. Список литературы ……………………………………...... стр. 15;

Введение

1.1 Актуальность:

В настоящее время напитки, насыщенные углекислым газом популярны среди потребителей в основном в виде искусственно синтезированных «газировок», содержащих в своем составе подсластители, красители, консерванты, кислоты и т.д., соответственно, воздействие таких напитков на организм человека в корне отличается от того воздействия, которое оказывает природная газированная вода. В связи с тем, что «газировки» и «минералки» удобны для современного человека, имеющего ускоренный темп жизни (такая вода экономит время, ибо ее можно приобрести практически на каждом шагу, банки и бутылки небольшого размера удобно переносить и т.п.), люди, зачастую не задумываясь о влиянии их на собственный организм, активно употребляют газированные напитки.

1.2. Проблема исследования

Какое влияние газированные напитки оказывают на организм человека, и стоит ли их употреблять? Такова проблема, поставленная при выполнении работы.

1.3. Цель:

Изучить химию газированных напитков, потребляемых людьми.

1.4. Задачи:

• Найти информацию по данной теме в различных литературных источниках;
• Исследовать состав газированных напитков;
• Изучить влияние газированных напитков на организм человека;
• Обосновать актуальность выбранной темы, ее ценности и значение;
• Кратко ознакомить слушателей с химическим составом газированных напитков, потребляемых людьми;
• Провести несколько опытов, сопряженных с данной темой;
• Сделать обобщения и выводы.

1.5. Методы исследования:

Изучение и анализ литературы и СМИ, обобщение информации, социологический опрос-анкетирование, наблюдение, эксперимент.

1.6. Оригинальность и новизна:

 Оригинальность и новизна выбранной темы заключается в том, что проблема употребления газированных напитков в современном обществе стоит чрезвычайно остро, в связи с последствиями, которые влечет за собой употребление газированной воды, которая, в свою очередь, весьма популярна среди потребителей.  

Основная часть 

2.1. Описание методов исследования:

Данные методы исследования выбраны, в связи с тем, что они позволяют максимально точно описать и отразить исследуемую информацию.

2.2. История:

Газированная вода природного происхождения известна людям с древнейших времен и изначально использовалась исключительно в лечебных целях.

Впервые газированная вода была синтезирована в 1767 году британским химиком Джозефом Пристли в результате экспериментов с газом, выделявшимся в процессе брожения пива.

В 1770 году был сконструирован аппарат, позволяющий насыщать воду углекислым газом — сатуратор. Его создателем был швед Тоберн Бергман.

Продуктом реакции присоединения углекислого газа к воде является угольная кислота,

CO2 + H2O → H2CO3

которая, в свою очередь, является неустойчивой в водных растворах, т.е. разлагается на углекислый газ и воду (при t = 25ºC),

H2CO3 → CO2 + H2O

следовательно, данная реакция является обратной

CO2 + H2O ↔ H2CO3

В 1783 году немецкий часовщик Иоганн Якоб Швепп усовершенствовал сатуратор и сделал его пригодным для использования в производстве, затем он создал промышленную установку для выпуска газированной воды. В производстве «газировки» Швепп использовал пищевую соду (ради меньших финансовых затрат), в связи с чем такую воду стали называть «содовая».

В СССР продажа газированной воды начала распространяться в 1932 году посредством торговых аппаратов. В советское время сатураторы были весьма популярны и обычно располагались на улицах или в общественных местах. Все сатураторы советского производства работали на основе компрессорного холодильного агрегата с фреоном. В постсоветское время продажа и обслуживание таких автоматов стали нерентабельны.

2.3. Классификация:

Газированную воду классифицируют по следующим критериям:

По потребительским свойствам:

• Питьевая

Минерализация — до 0,5 г солей на один литр воды.

Хороший прохладительный напиток, пить ее необходимо как взрослым, так и детям.

• Столовая

Минеральная (природная) вода. Минерализация — менее 1 г солей на литр воды.

Вода без запаха и не имеющая специфического привкуса. Допускается к употреблению ежедневно и в любых количествах.

• Лечебно-столовая

Минерализация — от 1 до 10 г солей на литр воды.

Предназначена для обычного, но не регулярного питья, также применяется в лечебных целях.

• Лечебная

Минерализация — от 10 г солей на литр воды.

Такую воду следует употреблять только по рекомендации врача, ее состав практически не меняется в период хранения, и все полезные компоненты сохраняются на долгое время.

По химическому составу:

Хлоридная — рекомендуется при болезнях желудочно-кишечного тракта, печени и для стабилизации обмена веществ.

Сульфатная — рекомендуется при сахарном диабете, хроническом гепатите и заболеваниях желчных путей.

Гидрокарбонатная — применяется для лечения мочекаменной болезни и сахарного диабета.

По уровню насыщения воды углекислым газом:

Слабогазированная — уровень CO2 от 0,2 до 0,3 %;

Среднегазированная — уровень CO2 от 0,3 до 0,4 %;

Сильногазированная — уровень CO2 более 0,4 %.

2.4. Получение:

Существует два способа промышленного получения газированной воды:

Механический

Данный способ состоит в аппаратном газировании фруктовых или минеральных вод в акратофорах, металлических баках, сифонах или сатураторах. Процесс проводится под высоким давлением, с предварительно охлажденной и не содержащей в своем составе воздух жидкостью. Вода насыщается газом от 5 до 10 г/л.

Химический

Данный способ заключается в газировании напитка, путем добавления в воду пищевой соды (NaHCO3) и кислот, в результате чего получают сельтерскую воду или «содовую». В производстве пива, игристых вин, сидра и хлебного кваса газирование осуществляется методом брожения.

2.5. Состав:

Минеральная вода природного происхождения в первую очередь содержит двуокись углерода (которая стабилизирует химический состав такой воды) и 4 (четыре) основных компонента:

• натрий (Na) — полезен для мышц и нормализует кровяное давление;
• кальций (Са) — поддерживает ионное равновесие в организме, влияет на процесс свёртываемости крови, полезен для костей, зубов, мышц и сердечно-сосудистой системы;
• магний (Мg) — регулирует энергетический обмен и работу нервной системы;
• хлор (Сl) — в желудке ионы хлора создают благоприятную среду для действия ферментов желудочного сока;

Также, в меньших количествах в минеральной воде содержатся:

• железо (Fe) — препятствует анемии;
• йод (I) — нормализует деятельность щитовидной железы;
• фтор (F) — содержится в эмали зубов;
• медь (Cu) — требуется для превращения железа организма в гемоглобин, участвует в процессах роста и размножения;
• марганец (Mn)оказывает влияние на рост, образование крови и функционирование половых желез;
• литий (Li) — участвует в углеводном и жировом обменах, поддерживает иммунную систему, снижает нервную возбудимость;
• кобальт (Co) — влияет на работу нервной системы и процесс образования крови.

Чаще всего минеральная вода имеет смешанный состав, что в совокупности с биологически активными веществами значительно усиливает её лечебный эффект.

Искусственно синтезированная газированная вода обычно содержит различные подсластители, чаще всего:

• сахароза (C12H22O11) — в быту именуемая «сахаром», является важным пищевым продуктом. Обычный сахар относится к углеводам, которые считаются ценными питательными веществами, обеспечивающими организм необходимой энергией. Сахароза быстро расщепляется в пищеварительном тракте на глюкозу и фруктозу, которые затем поступают в кровоток. Увеличение концентрации сахара в крови, изменяя проницаемость стенки артерий, создаёт благоприятные условия для отложения в ней липидов и повышает склеивание тромбоцитов;
• аспартам (C14H18N2O5) — заменитель сахара (пищевая добавка под кодом E951), он примерно в 160—200 раз слаще сахара, не имеет запаха, хорошо растворим в воде. В организме человека распадается на аспарагиновую кислоту (C4H7NO4 ), фенилаланин (C9H11NO2 ) и метанол (СН3OH );
• ацесульфам калия (C4H4KNO4S) — (пищевая добавка под кодом E950) обладает свойствами аспартама;
• Цикламат натрия (C6H12NNaO3S) — (пищевая добавка под кодом E952) заменитель сахара, в 30-50 раз слаще сахара, является запрещенным в ряде стран.

Также в газированные напитки, как правило, добавляют пищевые красители наиболее популярные из которых:

• тартразин (Е102) — синтетический краситель желтого цвета, хорошо растворимый в воде. Наиболее часто используется в производстве кондитерских изделий, молочных продуктов и напитков желтого цвета;
• солнечный закат (Е110) — синтетический краситель, имеющий оранжевый цвет, хорошо растворимый в воде, чаще всего используется в производстве сухих супов, пюре, сухариков, чипсов, соусов и т.д.;
• бриллиантовый черный BN (Е151) — синтетический краситель черного цвета, широко распространен в производстве драже, сыров, колбас, молочных напитков, рыбных изделий и др.;
• Индигокармин (Е132) — синтетический краситель синего цвета, хорошо растворимый в воде, используется в производстве мороженого, безалкогольных напитков, десертов и т.д.;

В качестве тонизирующего вещества в некоторые газированные напитки добавляют кофеин (C8H10N4O2), который оказывает возбуждающее действие на ЦНС, усиливает сердечную деятельность, ускоряет пульс, вызывает сужение кровеносных сосудов, усиливает мочеотделение и способствует развитию привыкания.

В производстве газированных напитков также применяют консерванты — вещества, угнетающие рост микроорганизмов. Чаще всего используется бензоат натрия (C6H5COONa) — пищевая добавка под кодом Е211 — который, вступая в реакцию с аскорбиновой кислотой (витамином С) (C₆H₈O₆), образует бензол (C6H6), который, в свою очередь, является канцерогеном.

Лимонная, ортофосфорная и яблочная кислоты (наиболее часто содержащиеся в газированных напитках) способствуют развитию кариеса, так как повреждают эмаль зубов, раздражают слизистую оболочку желудка, что способствует развитию язвы. Ортофосфорная кислота также вымывает кальций из костей, что служит причиной остеопороза.

2.6. Влияние на здоровье:

Положительные стороны:

Полезной для организма человека является природная газированная вода  ̶  она улучшает функционирование лимфатической, нервной и сердечно-сосудистой систем, усиливает аппетит, повышает уровень гемоглобина и улучшает пищеварение. Лечебная минеральная вода назначается при пониженном уровне кислотности для улучшения выработки желудочного сока, нейтральные молекулы природной воды ощелачивают плазму крови, натрий (Na) в таком природном напитке активирует действие ферментов организма, магний (Mg) предотвращает вымывание кальция (Ca) из мышц при физических нагрузках. Углекислый газ, содержащийся в воде в умеренных дозах, способен стимулировать защитные системы организма, в больших же дозах диоксид углерода токсичен и может привести к ацидозу (нарушение кислотно-щелочного баланса). Газированная вода содержит полезные микроэлементы, исключает риск заражения опасными микроорганизмами, она необходима всем тканям человеческого тела, так как разжижает кровь и способствует очищению организма от нежелательных веществ и продуктов распада. Пузырьки в такой воде имеют естественное происхождение, благодаря растворённым в них природным газам, минеральная вода природного происхождения обладает лечебными свойствами: повышает аппетит, утоляет жажду, и улучшает пищеварение.

Отрицательные стороны:

Вред организму наносит газированная вода синтетического происхождения, ибо такие напитки обычно содержат большое количество сахара (C12H22O11), что может стать причиной развития ожирения, нарушения работы поджелудочной железы, нарушения работы эндокринной системы и сахарного диабета. Кислоты, содержащиеся в “газировках”, повреждают эмаль зубов и раздражают слизистую оболочку желудка. Ортофосфорная кислота (H3PO4) вымывает кальций из костей, кофеин (C8H10N4O2) оказывает возбуждающее действие на нервную систему и способствует развитию привыкания. Также, в состав многих газированных напитков входит бензоат натрия (C6H5COONa), который, вступая в реакцию с аскорбиновой кислотой (C6H8O6), выделяет канцероген бензол (C6H6). При частом употреблении «газировки» угольная кислота раздражает слизистую оболочку желудка, углекислый газ растягивает стенки желудка, повышает секрецию желудочного сока и провоцирует метеоризм. Газированная вода, выпитая на голодный желудок, может вызвать воспалительные процессы у людей, страдающих болезнями ЖКТ. Газированная вода синтетического происхождения, содержащая большое количество сахара может привести к заболеванию сахарным диабетом, проблемам с лишним весом и ожирению.

2.7. Практическая часть

Практическая часть представлена тремя комплектующими:

2.7.1. Создание газированной воды в домашних условиях;

2.7.2. Проведение опроса «Как часто вы употребляете газированную воду?» у людей разных возрастных категорий;

2.7.3. Наглядное представление процесса вымывания кальция кислотой, содержащейся в газированной воде синтетического происхождения, из яичной скорлупы;

Опыт № 1

Обязательными компонентами газированной воды являются вода и углекислый газ. Углекислый газ выделяется в результате реакции нейтрализации кислоты щелочью. Для проведения реакции в домашних условиях в качестве кислоты будет использован уксус, содержащий уксусную кислоту (CH3COOH), а в качестве щелочи — пищевая сода или бикарбонат натрия (NaHCO3 ). Кислотный остаток уксуса сильнее, он замещает кислотный остаток в соде, образуя ацетат натрия (CH3COONa), данная реакция идет с выделением углекислого газа и воды:

CH3─COOH + NaHCO3 → CH3─COONa + H2O + CO2

Ацетат натрия растворим в воде, поэтому в получившейся жидкости не виден твердый осадок.

Вывод: вполне возможно создать газированную воду в домашних условиях, используя пищевую соду и столовый уксус.

Опыт № 2

Было опрошено по 10 людей в каждой возрастной категории, всем им был задан вопрос «Как часто вы употребляете газированную воду?»

Следует отметить, что при опросе имелась в виду газированная вода синтетического происхождения.

1 возрастная категория — до 12 лет:

Не употребляю вообще: 3 из опрошенных;

Употребляю раз в месяц: 4 из опрошенных;

Употребляю раз в неделю: 1 из опрошенных;

Употребляю чаще раза в неделю: 2 из опрошенных.

2 возрастная категория — 13-17 лет:

Не употребляю вообще: 4 из опрошенных;

Употребляю раз в месяц: 2 из опрошенных;

Употребляю раз в неделю: 1 из опрошенных;

Употребляю чаще раза в неделю: 3 из опрошенных.

3 возрастная категория — от 18 лет:

Не употребляю вообще: 3 из опрошенных;

Употребляю раз в месяц: 5 из опрошенных;

Употребляю раз в неделю: 1 из опрошенных;

Употребляю чаще раза в неделю: 1 из опрошенных.

Вывод: по результатам опроса можно сделать следующий вывод: большинство людей употребляют газированную воду раз в месяц, что является приемлемым интервалом между приемами газированной воды.

Опыт № 3

Для наглядного представления процесса вымывания ортофосфорной кислотой кальция из костей, был проведен следующий опыт:

была взята яичная скорлупа (так как в ее составе содержится большое количество кальций) и газированная вода, содержащая в своем составе ортофосфорную кислоту. Яичную скорлупу поместили в емкость с газированной водой.

Ca(HCO3) 2 + H3PO4 → Ca3 (PO4) 2 + H2O + CO

Спустя 7 дней наблюдаем результаты: яичная скорлупа покрылась налетом грязно-коричневого цвета, стали заметны трещины на поверхности скорлупы, при прикосновении яичная скорлупа распалась на мелкие части.

Вывод: очевидным становится вывод о том, что частое употребление газированных напитков, содержащих ортофосфорную кислоту, может привести к проблемам со здоровьем и оказывает негативное действие на организм, а именно — вымывает кальций из костей.

Заключение

В ходе работы были получены следующие результаты:

• Было исследовано влияние газированной воды на здоровье человека;
• Были проведены опыты, сопряженные с темой исследовательской работы;
• Были сформулированы актуальность, оригинальность и новизна исследовательской работы;
• Были описаны методы исследования.

Список литературы

1. «Химическая энциклопедия в 5 томах», том 1 (Издательство «Советская энциклопедия» 1988 г.);
2. Википедия — свободная энциклопедия (https://ru.wikipedia.org);
3. Д/Ф «Двойная порция»;
4. Электронная версия газеты «Аргументы и Факты» (http://www.aif.ru);
5. «Краткая химическая энциклопедия» (И. Л. Куянц);
6. «Реагенты для органического синтеза» (М. Физер, Л. Физер);
7. Научно-популярный журнал «Химия и химики».