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Chimica - Come si può misurare il contenuto di anidride carbonica nella Coca Cola per un certo periodo di tempo?

Dopo molte lotte, abbiamo già trovato la risposta a questo problema che hanno avuto alcuni dei nostri lettori di questo sito. Se hai qualcos'altro da condividere puoi lasciare le tue informazioni.

Soluzione:

Soluzione 1:

Misurare la variazione di massa nel tempo del liquido rimanente. Anche se una parte dell'acqua evaporerà, è possibile controllare questo aspetto mantenendo l'umidità vicino al 100%.

Se dovete essere preciso raccogliere il gas di scarico $CO2}$ in una trappola fredda ad azoto liquido. Controllare la massa del condensato, che dovrebbe uguale a quella persa dalla soda. Controllare la purezza, per essere davvero pignoli.

Soluzione 2:

Misurare la concentrazione in un volume fisso di aria

Il modo più semplice potrebbe essere quello di metterlo in un sacchetto o in una scatola impermeabile e sigillata e misurare la concentrazione di CO2 nel tempo. Gli hobbisti domestici usano qualcosa come il sensore di CO2 MG-811 o un semplice sensore ottico non dispersivo e lo collegano a un Raspberry Pi o Arduino usando un chip convertitore analogico-digitale (ADC). Per saperne un po' di più, vedere questa risposta a Perché i sensori di CO2 sono così costosi mentre quelli di CO non lo sono?

.I sensori di CO2 sono costituiti da celle chimiche a elettrolita solido, come l'MG-811 o le versioni più recenti (vedere questa domanda), oppure sono sensori a luce infrarossa non dispersiva (NDIR) basati sull'assorbimento ottico di una certa lunghezza d'onda della luce infrarossa, utilizzando un filamento caldo o un'altra sorgente luminosa per produrre IR e un filtro ottico multistrato stretto per selezionare una delle forti linee di assorbimento della CO2. Maggiore è la quantità di CO2, maggiore è la riduzione della trasmissione della luce nel percorso ottico del sensore.

Si stima il volume totale dell'aria intrappolata e si moltiplica per la frazione di CO2 (in ogni momento) per ottenere la quantità accumulata di CO2 rilasciata dal liquido.

Misurare la quantità raccolta in uno scrubber di CO2

Basandosi sulla tecnica proposta da @DrMoishe Pippi, anche se non posso garantire la precisione, si potrebbe provare a utilizzare qualcos'altro per assorbire la CO2 oltre a una trappola a freddo.

Propongo di prendere in considerazione uno scrubber di anidride carbonica.

Tuttavia, l'idrossido di litio potrebbe non essere adatto per l'uso domestico, in quanto è molto pericoloso da toccare o contattare in altro modo! Perciò dovreste farlo con la supervisione di qualcuno.

Da PubChem; Idrossido di litio (composto)

L'idrossido di litio, in soluzione, si presenta come un liquido da limpido a bianco-acqua che può avere un odore pungente. Il contatto può causare gravi irritazioni alla pelle, agli occhi e alle mucose. Può essere tossico per ingestione, inalazione e assorbimento cutaneo. Viene utilizzato per la produzione di altri prodotti chimici.


Sistema rigenerativo di rimozione dell'anidride carbonica

Il sistema rigenerativo di rimozione dell'anidride carbonica (RCRS) sull'orbiter dello Space Shuttle utilizzava un sistema a due letti che forniva una rimozione continua dell'anidride carbonica senza prodotti spendibili. I sistemi rigenerabili consentivano a una missione Shuttle una permanenza più lunga nello spazio senza dover rifornire i contenitori di sorbente. I vecchi sistemi a base di idrossido di litio (LiOH), che non sono rigenerabili, sono stati sostituiti da sistemi rigenerabili a base di ossido di metallo. Un sistema basato sull'ossido di metallo consisteva principalmente in un contenitore di sorbente all'ossido di metallo e in un gruppo di rigenerazione. Funziona rimuovendo l'anidride carbonica con un materiale sorbente e poi rigenerando il materiale sorbente. Il contenitore di sorbente all'ossido metallico veniva rigenerato pompando aria a circa 400 °F (204 °C) attraverso di esso ad una portata standard di 7,5 cu ft/min (0,0035 m3/s) per 10 ore.

Per sapere esattamente come fare è necessario il contributo di un chimico vero e proprio. Sarebbe meglio porre una nuova domanda: "Come usare LiOH (pellet o polvere) come scrubber di CO2 fatto in casa?".

Se si mette il contenitore aperto in un contenitore più grande (sacchetto o scatola di plastica sigillata e impermeabile) con qualcos'altro che assorbe la CO2 e la trattiene a temperatura ambiente, si può pesare prima e dopo come limite inferiore almeno alla CO2 persa dal liquido.

Se avete visto il film Apollo 13 o conoscete la storia del contenitore di CO2 scrubber (1, 2), potreste ricordare che rimuoveva la CO2 espirata dagli astronauti dall'aria della cabina e la tratteneva all'interno dei pellet di LiOH solido che conteneva.

Poiché era necessario che fosse compatto, ma che potesse trattare un grande volume d'aria, la navicella utilizzava un ventilatore per far circolare l'aria attraverso lo scrubber. Nel vostro caso, tuttavia, potrebbe essere possibile utilizzare l'idrossido di litio o un altro materiale come l'ossido d'argento (vedere questa risposta e i test sulle prestazioni di EMU METOX).

Ecco alcuni dati tratti da quel rapporto. Si può notare che i circa 14 kg di ossido d'argento possono contenere circa 0,8 kg di CO2.

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Storia, da Building an Apollo 13 LiOH Canister Adapter della NASA:

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Soluzione 3:

Per una misura diretta di $ce{CO2}$ contenuto, è possibile utilizzare la spettroscopia a infrarossi (IR). La radiazione infrarossa può essere assorbita dalle molecole, facendole vibrare. L'esatta frequenza della radiazione assorbita è spesso caratteristica di determinati legami o gruppi funzionali.

In particolare, il modo fondamentale di stretching antisimmetrico di $ce{CO2}$ in soluzione acquosa (specificamente l'isotopologo del carbonio-12 $ce{^{12}CO2(aq)}$, non acido carbonico $ce{H2CO3}$) è eccitato da fotoni di lunghezza d'onda $mathrm{4268 nm}$ (più comunemente riportato come $mathrm{2342,9 cm^{-1}}$ per ragioni storiche). Questo modo vibrazionale è utile per i seguenti motivi:

  • Il picco di assorbimento è abbastanza netto, con una "larghezza" (FWHM) di solo $mathrm{9} cm^{-1}$
  • L'assorbanza molare è forte, con un valore pari a $mathrm{1,5 times 10^6 cm^2 mol^{-1}}$
  • L'intensità di assorbimento varia linearmente con la concentrazione
  • Poche altre sostanze presentano un forte assorbimento nella stessa regione

Nel complesso, queste proprietà rendono il picco adatto a misure analitiche. Questo aspetto è stato discusso in Vib. Spect., 1992, 4 (1), 105-108. Sebbene l'articolo non abbia esplorato questa possibilità, è probabile che la tecnica possa essere adattata per l'uso nelle bibite. Le misurazioni potrebbero essere effettuate direttamente nelle bottiglie non aperte. Inoltre, esistono vantaggi simili per la misurazione dei gas. $CO2}$ quindi si potrebbe eseguire una misura indipendente dello spazio sopra il liquido con lo stesso strumento e sottoporre i risultati a un controllo incrociato per ottenere una maggiore accuratezza.

Questo non sarebbe molto facile per un hobbista che si occupa di chimica da cucina (anche se gli spettrometri IR portatili/compatti esistono e non sono tremendamente costosi), ma uno studio del genere sarebbe alla portata della maggior parte dei laboratori chimici.


Soluzione 4:

Si potrebbe utilizzare un $Ce{CO2}$ elettrodo selettivo per ioni, come il PS-3517 della PASCO:

Questa sonda ISE (Carbon Dioxide Ion Selective Electrode) è un elettrodo per la rilevazione di gas che consente una misurazione rapida, semplice, ecologica e accurata della CO2 disciolta in soluzioni acquose.

Il vantaggio rispetto ad altri metodi è che si misura la concentrazione in situ e quindi non ci si deve preoccupare di come catturare $CO2}$ quantitativamente (ponderando piccole quantità), come discriminare ${ce{CO2}$ da altri gas (per esempio l'acqua, che deve essere rimossa dal gas o impedita di condensare nel $ce{CO2}$ ), sul complicato campionamento intermittente e su come la velocità di cattura possa influenzare la misura.

Dovrebbe funzionare con la Coca-Cola:

Intervallo di pH: I campioni e gli standard devono essere regolati al di sotto di pH 4,00.


Soluzione 5:

Un metodo molto diverso, che dovrebbe funzionare bene dato l'alto livello iniziale di carbonatazione della Coca-Cola (141 mM secondo la mia stima basata su questo post) è $ce{^{13}C}$-NMR. Si veda ad esempio il riferimento 1. Gli spettri delle soluzioni liquide hanno un'elevata risoluzione e i dati monodimensionali possono essere acquisiti in modo continuo in pochi minuti per spettro.

Si noti che gli spettri possono essere acquisiti a temperatura naturale $ce{^{13}C}$ (circa l'1%) o arricchiti (spiked) con $ce{^{13}C}$ che ovviamente sarà (molto) più costoso. D'altra parte, si potrebbe essere in grado di catturare per il riutilizzo la sostanza rilasciata ${ce{^{13}C}$ con uno dei metodi suggeriti in una delle altre risposte.

Riferimenti

  1. Qi Yang, Mark Bown, Abdelselam Ali, Dave Winkler, Graeme Puxty e Moetaz Attalla. Uno studio NMR del carbonio-13 sull'assorbimento e il desorbimento del biossido di carbonio con l'amido acquoso.
    Desorbimento con soluzioni acquose di ammine. Energy Procedia 1 (2009) 955-962

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