圖片：以坊間配方混合四份小蘇打加兩份檸檬酸和一份食鹽等體積混合粉末，再搭配熱水的發泡去汙情形。
作者：嚴融怡
最近指導了小學生進行檸檬酸與小蘇打的混合實驗應用。檸檬酸在自然界是植物所生產相當重要的螯合劑之一，用以協助溶解或螯合處理某些金屬離子。也是土壤汙染處理當中，與鹽酸、醋酸、磷酸等並列為重要重金屬萃取劑的有機酸類。也因此檸檬酸其實已經被作為相當重要的洗滌清潔材料。而小蘇打在水溶液相能夠產生弱鹼性溶液，並協助油汙的清除。當檸檬酸與小蘇打混合的發泡過程，除了兩者之間進行酸鹼中和以外，也可進一步增強去汙的作用，使得混合品兼具檸檬酸所對汙垢的滲透溶解以及所對於某些有機鹼異味物質的破壞，加上小蘇打所長於破壞某些小分子油脂以及有助於結合鈣鎂和軟水的功能等等。而使得兩者相加的清潔效果事半功倍。目前網路上所流行的小蘇打檸檬酸混合清潔液有很多版本。這裡採用的版本是體積比四份小蘇打粉加入兩份檸檬酸最後搭配一份食鹽粉的混合比例所製作的清潔粉末。在使用時搭配熱水，先以熱水塗抹需要清潔的表面(例如桌面、流理臺或水槽)，然後再倒入幾小匙的清潔粉末，在發泡過程當中同時以海綿或是抹布去擦拭即可。
檸檬酸和小蘇打的酸鹼中和也是牽涉酸鹼中和反應當中較少見的最後總體反應為吸熱反應的情形(酸鹼中和是放熱反應，但又牽涉了二氧化碳氣體生成及帶走熱量)，因此這個反應也因而成為簡易冷劑(如市面上夏天所販賣的冷冷包、冰冰包)的來源，以及早期由十八世紀的約瑟夫·普利斯特利(Joseph Priestley)在近代發明汽水的最初運用原理。普利斯特利在1733年，出生於英國利茲城附近的貧民家庭，19歲入神學院就讀，畢業後從事牧師工作，1766年才在美國科學家富蘭克林的啟發下，決心投入科學研究。此後，他多次以自己微薄的薪資購買儀器和藥品進行各項化學實驗，對於氧氣、二氧化氮、氨與二氧化硫等氣體的發現歷史貢獻卓著(不過由於普利斯特利是根深蒂固的燃素說，這使得他明明有絕佳的科學發現成果，但卻反而讓其成就了拉瓦節等科學家，像是氧氣的發現與定名)。
圖片：對於近代氣體化學、早期氧化反應發現以及汽水發明均有極大貢獻的普利斯特利(Joseph Priestley)。
圖片：普利斯特利當年收集二氧化碳和配製碳酸水的設備(圖片引自維基共享資源)。
圖片：當年普利斯特利發現氧氣的實驗室(圖片引自維基共享資源)
普利斯特利是一個急公好義的人。傳說有一天，他有位任職酒廠經理的朋友，想製造某種消暑飲料，因此請教普利斯特利。普利斯特利經過好一番思考，想起中世紀以來曾有歐洲人飲用天然湧泉中含有碳酸的水來治病。1741年，就有前人曾發現如果引用類似這類溫泉的碳酸水，會有比較清涼爽口的感覺。那麼有沒有辦法發明有效製造這一成分的消暑飲料呢？他於是著手進行研究。但是因為當時並未有今日汽水加壓、冷凍與封裝等設施，因此普利斯特利實驗了一年的時間才終於發現將檸檬酸和小蘇打互溶後封蓋，以及其他將二氧化碳溶於冷卻水的方法，終於製造出歷史上第一批汽水。然而普利斯特利的發明剛成功，他朋友的酒廠就被大火燒毀，因此這使得普利斯特利的發明並未成為商品，也並不廣為大眾所利用。普利斯特利的檸檬酸加小蘇打實驗可以輕易讓小學生進行實驗，並且體驗早期碳酸水配製以及今日的冷冷包等原理。
圖片：檸檬酸和小蘇打的混合所產生的吸熱反應和二氧化碳發泡作用是今日冷冷包、早期汽水以及早期滅火器等製作的重要原理來源。
另一位英國人約翰馬文努(John Mervin Nooth)改良了普利斯特利的設計，並將其儀器出售給藥店商業使用。後來瑞典化學家托伯恩·伯格曼(Torbern Bergman)發明了一種機械設備，可以利用硫酸從白堊中製得碳酸水。伯格曼的設備允許大量生產仿造礦泉水。然後瑞典化學家布林納斯(JönsJacob Berzelius)在18世紀後期開始在碳酸水當中添加調味劑(如香料、果汁與葡萄酒等等，逐漸形成今日的汽水以及發泡酒精飲料)。1783年德國人喬漢納‧傑庫柏‧舒衛斯(Johann Jacob Schweppe)於其瑞士實驗室依據普利斯特利當年的理論開發世上首套實際生產碳酸礦泉水的方法，並創辦舒味思公司。此後，進入十九世紀與二十世紀以後，各類配製碳酸水的方法日新月異，尤其是二十世紀電冰箱與電力加壓設備的相繼發明，汽水可以直接採用二氧化碳加壓方式溶於水中，使得碳酸水的大規模量產越加方便。汽水正式成為現代常見冷飲。
碳酸水的研究除了針對汽水，其實在同一期間這類研究也啟發了滅火器的發明和沿革。最先實現現代可攜式滅火器是由十九世紀上葉的英國軍人喬治·威廉·曼比(George William Manby)所實現，它是由一個裝在壓縮空氣中的3加侖(13.6升)珍珠灰(碳酸鉀)溶液的銅製容器所組成。曼比是一個畢生投入救難研究的重要人士，他除了滅火器，也曾積極投入防火衣的研究。蘇打酸滅火器(soda-acid extinguisher)則是出現於1866年，該技術是將水和碳酸氫鈉溶液、酒石酸混合，產生推進劑二氧化碳氣體。艾爾曼格蘭格(Almon M. Granger)的蘇打酸滅火器則是在1881年在美國獲得專利。他的滅火器是採用碳酸氫鈉溶液和硫酸之間的反應而進行加壓水來實施滅火。裡面將一瓶濃硫酸懸浮在筒中。當火災發生時，只要運用瓶身的裝置破壞酸瓶，讓酸與碳酸氫鹽溶液混合後，就可將大量二氧化碳氣體排出，並進而對水加壓。使壓力水從罐中透過噴嘴或短軟管噴出壓制火焰。
碳酸水的生活應用在今日可以說是千變萬化，但是我們都得要感謝過去許多科學家與發明者所曾付出的辛勞和努力。
參考引用資料：
1.Penny老師陳乃綺編著。2017。Penny老師教你創意玩科學。小麥田出版。
2.【化學奇境】不存在的魚：普里斯利沒發現氧氣 ─CASE報科學 https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=6038
3.小蘇打粉+檸檬酸粉+鹽巴 對抗頑強汙垢 ─東森綜合台 https://www.youtube.com/watch?v=iv5r82lAFPE
4.自然界中的金屬螯合作用（Chelation in nature）─科學Online https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48516
5.History of the Soft Drinks Industry -British Soft Drinks Association https://www.youtube.com/watch?time_continue=61&v=zFkLHnS6uuU&feature=emb_logo
6.Soft drink -Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Soft_drink
7.Fire extinguisher -Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Fire_extinguisher
留言列表
