Tajemnice kubka kawy

Doświadczenie 1

Przygotuj trzy szklanki i garnek o pojemności 500 ml. Do dwóch szklanek włóż po jednej saszetce herbaty, a do garnka (odetnij sznurki z etykietkami) włóż ich 15–20. Saszetki w szklance A zalej 200 ml wrzątku, a w B – taką samą objętością wody o temperaturze pokojowej. Po 20 min oceń ich barwy. Z kolei do garnka wlej ok. 300 ml wody i gotuj przez 10–20 min. Uzyskany roztwór (bez saszetek) przelej do trzeciej szklanki (C) i obserwuj barwę w momencie, gdy płyn jest gorący i gdy już całkowicie wystygnie.

Wyjaśnienie: Rozpuszczalność większości substancji stałych (a zatem zawartych w herbacie tanin lub kofeiny) rośnie wraz z temperaturą. Temperatura przyspiesza także dyfuzję, co sprawia, że szybciej następuje odpowiednie nasycenie roztworu. Znakomicie ilustruje to porównanie herbaty zaparzonej w zimnej i gorącej wodzie – intensywniejszą barwę zaobserwujemy w szklance A. Z kolei w szklance C początkowo zobaczymy intensywne ciemnobrązowe zabarwienie, ale gdy woda stygnie, rozpuszczalność tanin i innych wyekstrahowanych związków maleje i wytrącają się one z roztworu w postaci kłaczków – początkowo przezroczysty roztwór mętnieje.

Doświadczenie 2

Do trzech szklanych butelek z nakrętką (np. po soku owocowym, 330 ml) wsyp po 2 g czarnej (standardowa saszetka) herbaty. Do butelki A wlej 40 ml (odmierzając to np. pojemnikiem na mocz z podziałką) wody, do butelki B – 40 ml 96-procentowego spirytusu, a do C – 40 ml eteru naftowego (benzyny ekstrakcyjnej, rozpuszczalnika dostępnego w większych supermarketach i sklepach z artykułami budowlanymi). Butelki zakręć i odstaw na 12 godz. Porównaj barwę roztworów.

Wyjaśnienie: Roztwór A przybiera charakterystyczny herbaciany odcień. Dzięki ekstrakcji etanolem (B) uzyskuje się roztwór o barwie oliwkowej. Natomiast benzyna (C) zabarwia się złotawo lub zielonkawo. Poszczególne rozpuszczalniki pozwalają wyekstrahować różne substancje i w innych stężeniach, gdyż im bardziej rozpuszczalnik jest zbliżony własnościami do danej substancji, tym chętniej będzie się ona w nim rozpuszczać. Obecność grup polarnych (np. karboksylowej, hydroksylowej lub aminowej) sprzyja rozpuszczaniu w polarnym rozpuszczalniku (także zawierającym takie grupy), natomiast rozbudowane fragmenty cząsteczek bez takich grup sprzyjają rozpuszczaniu w niepolarnym oleju lub benzynie.

Doświadczenie 3

Do butelki po soku owocowym wsyp łyżeczkę sproszkowanej papryczki chili. Zalej 40 ml spirytusu, zakręć, wstrząśnij i odczekaj 10 min. Przygotuj jeszcze dwie butelki. Do jednej przelej etanolowy ekstrakt uzyskany przed chwilą z papryki (bez osadu), a do drugiej – etanolowy ekstrakt B z doświadczenia 2 (bez fusów). Do obu butelek dodaj po 20 ml oleju rzepakowego. Zakręć je i porządnie zabełtaj. Oceń barwę mieszanin. Do obu dodaj tyle wody, aż olej wypłynie na wierzch, a dolna warstwa zmętnieje. Wstrząśnij i pozostaw na 20 min. Oceń barwę mieszanin.

Wyjaśnienie: Podczas ekstrakcji w układzie ciało stałe–ciecz etanol bardzo szybko ekstrahuje z papryki barwniki ksantofilowe (kapsorubinę i kapsoksantynę), zabarwiając się na czerwono. W stężonym etanolu dobrze rozpuszczają się też związki zapachowe (ekstrakt intensywnie pachnie) oraz ostra w smaku kapsaicyna. Po zlaniu cieczy znad osadu i dodaniu oleju rozpoczyna się ekstrakcja w układzie ciecz–ciecz. Olej opada na dno i zabarwia się nieco na pomarańczowo. Po dodaniu wody roztwór polarny mętnieje – słabo polarne związki wytrącają się, część z nich „ucieka” do warstwy olejowej, co sprawia, że jej barwa staje się jeszcze intensywniejsza. Podobnie dzieje się w przypadku herbaty – dodanie oleju ekstrahuje z początkowo oliwkowego roztworu etanolowego mniej polarne związki, powodując zmianę zabarwienia oleju na zielonkawą (m.in. chlorofile i pozostałości ich degradacji), a etanolu – na burobrązową. Zielona barwa oleju staje się szczególnie wyraźna po dodaniu wody, rozpuszczalnika silniej polarnego niż etanol, i odczekaniu ok. 20 min od ponownego zabełtania. Z wodnego lub etanolowego ekstraktu z herbaty można wyodrębnić bezbarwną kofeinę – używa się wtedy chloroformu (kofeina rozpuszcza się w nim 10 razy łatwiej niż w wodzie czy etanolu). Oddziela się ją wtedy od rozpuszczalnych w wodzie, ale praktycznie nierozpuszczalnych w chloroformie brązowych tanin. Ekstrakt z papryki (E160c) wykorzystuje się do barwienia żywności. Jest on pozyskiwany z surowca dzięki użyciu silnie niepolarnego heksanu, który następnie zostaje odparowany.

dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH

dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

olej rzepakowy, butelki po soku owocowym, czarna herbata w saszetkach, opakowanie papryki chili w proszku, spirytus 96%, benzyna ekstrakcyjna, pojemnik na mocz

Niewliczone w cenę: garnek, szklanki, źródło ciepła

Czas przygotowania: 3 h

Koszt: 55 zł

***

Wiedza w pigułce

Ekstrakcję przeprowadzamy, przyrządzając herbatę, nalewkę, aromatyzowaną oliwę czy ziołowy sos. Proces ten to po prostu wyodrębnianie (najczęściej do roztworu, zwanego potem ekstraktem) pewnych składników z surowca. Czasami w procesie tym wystarczy zwykła woda. Tak usuwa się np. silnie trującą rycynę z oleju rycynowego. Ekstrakcję przyspiesza podwyższenie temperatury, bo zwiększa to rozpuszczalność związków chemicznych. Jednak w celu wyekstrahowania szczególnie lotnych lub podatnych na zniszczenie substancji przeprowadza się także macerację w temperaturze pokojowej. Jeśli pożądanego składnika mamy mało, ekstrakcja może trwać całymi tygodniami i konieczne staje się wtedy wyrafinowane oprzyrządowanie (jak aparat Soxhleta), w którym krąży rozpuszczalnik cyklicznie przemywający surowiec.

Niestety żadna metoda nie gwarantuje wydobycia składnika w 100%, gdyż jego pula zawsze zostaje rozdzielona pomiędzy obie fazy i pozostaje w śladowych ilościach w rafinacie (resztkach surowca). Zjawisko podziału składnika pomiędzy fazy badał szczegółowo niemiecki chemik Walther Hermann Nernst i w odniesieniu do ekstrakcji w układzie dwóch niemieszających się ze sobą cieczy sformułował tzw. prawo podziału. Wbrew intuicji wskazuje ono, że jednokrotne przemycie surowca porcją rozpuszczalnika wyekstrahuje mniej składnika niż przemycie go tą samą objętością, lecz podzieloną na kilka porcji. Ekstrakcja jest możliwa nie tylko z cieczy do cieczy, ale także do fazy stałej (czyli odwrotnie niż przy parzeniu herbaty). Obie te metody znakomicie sprawdzają się przy oczyszczaniu konkretnych związków chemicznych (szczególnie organicznych, ale także np. azotanu uranu, kobaltu lub niklu), które można oddzielić od pozostałych zanieczyszczeń, odpowiednio dobierając rozpuszczalniki. I chodzi nie tylko o wyizolowanie substancji, ale także o odzyskanie drogiego składnika z odpadów, np. kwasu azotowego i fluorowodoru przy przemysłowej produkcji stali nierdzewnej.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.