Понимание рН.
Если вода растворяет кислоту, она получает дополнительный катион водорода (Н+). Когда таких катионов достаточно много, вода становится более кислой.
Если вода растворяет щелочь, ее атомы диссоциируют с высвобождением гидроксид аниона (ОН-).
Если таких анионов много - вода становится щелочной. Если количество катионов водорода (Н+) и гидроксид анионов (ОН-) одинаковое - вода сбалансирована.
Для измерения существует некая логарифмическая шкала. Она измеряет именно кислотность - рН (катион водорода). Нейтральный раствор имеет значение 7. Меньше 7 - кислотнее. Больше 7 - щелочнее. Поскольку шкала логарифмическая, рН=5 в десять раз кислотнее рН=6.
Жесткость воды.
Постоянная жесткость (обозначается GH) (состав: катионы кальция и магния двухзарядные, катионы калия и натрия однозарядные). Постоянная - не изменяется при кипячении. Во основном это хлориды и сульфаты этих металлов. Они не выпадают в осадок при кипячении. Но могут влиять на вкус кофе.
Однозарядные катионы:
натрий (Na+ ) и калий (K+ )
Все ионы металлов можно рассматривать как точки положительного заряда в трехмерном пространстве. Ионы натрия и калия несут один положительный заряд, который является относительно диффузным (имеют малую плотность). Вода сама по себе сильно полярна, поэтому, учитывая плотность заряда металла и высокий диполь воды, наиболее сильное катион-анионное взаимодействие достигается с самой водой. Другими словами, очень мало других соединений с частично отрицательным зарядом (таких как вода), которые сильнее прилипают к Na+ и K+ чем сама вода. Следовательно, эти катионы мало помогают в извлечении молекул, содержащихся в кофе, потому что они очень эффективно связываются с водой.
Учитывая, что физика требует нейтральности заряда, наличие этих положительных зарядов требует наличия встречных отрицательных зарядов (анионов, таких как бикарбонат и хлорид). Таким образом, вода, богатая натрием (более 50 ppm), обычно является признаком того, что либо ваш кофе будет неприятным на вкус (из-за связанного бикарбоната, подавляющего воспринимаемую кислотность в чашке), либо машина находится под угрозой коррозии (из-за сольватированного хлорида). .
Двухзарядные катионы:
магний (Mg2+ ) и кальций (Ca2+ )
Mg2+ и Ca2+ имеют тенденцию "прилипать" к областям с отрицательным зарядом, но в отличие от Na+ и K+, двухзарядные катионы связываются как с водой, так и с другими органическими молекулами. Это взаимодействие может способствовать экстракции, вытягивая аромат из молотого кофе (лимонная кислота быстро экстрагируется в воде, богатой металлами), но кальций также может быть вредным, если вы хотите скрыть менее ароматные, но сильно поляризованные молекулы (например, этилацетат), которые могут присутствовать в обжаренном кофе. Однако Ca2+ также может быть проблематичным при высоких концентрациях, поскольку он образует нерастворимую соль с карбонатом, известковым налетом. Это может повредить или даже испортить машину. Мg2+как правило, безопасно употреблять, без заметного негативного влияния на вкус и без риска для здоровья машины, потому что карбонат магния, MgCO 3, не образуется в заметных количествах.
Однозарядные анионы:
фторид (F- ) и хлорид ( Cl- )
Фторид (F- ) является наименьшим анионным водорастворимым веществом и редко обнаруживается в концентрациях, превышающих приблизительно 1,5 мг/л (1,5 частей на миллион). На уровнях, обычно встречающихся в воде (около 1 мг/л), фторид положительно влияет на здоровье и не оказывает отрицательного влияния на приготовление кофе.
Хлорид (Cl- ) немного больше, чем фторид, но несет такой же отрицательный заряд. Хлор является наиболее часто сольватируемым анионом, и его не следует путать с хлором (Cl2), который используется для стимуляции роста бактерий в пресной воде. Хлорид является ценным противоионом, поскольку он уравновешивает заряд жидкости без каких-либо неблагоприятных последствий для здоровья или вкуса.
Однако хлорид может вызвать катастрофические повреждения оборудования из нержавеющей стали в результате каталитического окисления Fe до Fe2+, вызывая точечную коррозию. Это происходит в той или иной степени при всех концентрациях хлорида.
Временная или карбонатная жесткость (KH) (она же карбонатная щелочность) - это мера жесткости воды, вызванная присутствием карбонат (CO2- 3) и бикарбонат (он же гидрокарбонат) (HCO- 3) анионов. Карбонатная жесткость обычно выражается либо в градусах KH (dKH), либо в частях на миллион карбоната кальция ( ppm CaCO3 или граммы CaCO3 на литр | мг/л).
Повышенная карбонатная жесткость приводит к повышенному буферу воды. Буфер воды - это способность воды сопротивляться отклонению в сторону закисления и в сторону защелачивания от нормы. Доставку карбонатов и бикарбонатов в раствор осуществляет кальций, магний, калий, натрий (их бикарбонаты, например Ca(HCO3)2). При соединении с водой, например карбонат кальция взаимодействует с катионом гидроксония (они находятся в воде в некоторых количествах) в результате получается катион кальция (Са2+), анион бикарбоната (НСО- 3) и вода. Чем больше растворяется карбоната кальция в воде, тем больше высвобождается бикарбонатов (гидрокарбонатов), что является причиной увеличения буфера воды. Буфер воды в основном основан на бикарбонатах, так как карбонаты плохо растворяются в воде. Однако при значении рН=8.2 происходит обратный эффект - накопившееся количество бикарбонатов вступает в реакцию с гидроксид анионом (ОН-) и катионами кальция с образованием карбоната кальция и воды.
Если буферная способность воды большая (много бикарбонатов), то при добавлении кислот (Н+) часть катионов водорода расходуется на соединение с карбонатами и гидрокарбонатами. При соединении иона водорода с бикарбонатом образуется угольная кислота и рН снижается, но при соединении иона водорода с карбонатом образуется бикарбонат, что приводит просто к абсорбции иона водорода, тем самым уменьшая изменение рН.
Сульфат магния и хлорид кальция не вызывает известкового налёта и не действует как буфер для кислот кофе, но взаимодействует с ароматами кофе.
По материалам:
https://www.baristahustle.com/lesson/twc-1-02-hardness/https://www.freshcup.com/how-water-works/https://soyuzcoffeestore.com/blog/tpost/vr0hpec611-horoshaya-voda-dlya-kofe-standarti-i-och
Некоторые замечания.
Считается что кальций отвечает за тело кофе, а магний за ароматику. Прочитать на эту тему Колонна-Дэшвуда - https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jf501687c
В некоторых источниках (где? уточнить) есть упоминание о том, что натрий увеличивает несколько горечь в кофе. Это к тому, что гидрокарбонат натрия - сода, являясь поставщиком гидрокарбонатов в раствор (бикарбонатов) не очень хороший вариант. Карбонат калия (поташ, E525, регулятор кислотности в пищевых продуктах)- поставщик карбонатов в раствор с образованием гидрокарбоната калия и углекислого газа. Лучше (лучший вариант?), так как калий есть в составе кофейного зерна и не оказывает влияния на вкус. Гидроксид магния - не растворим в воде, поэтому как доставщик отпадает. Карбонат магния - плохо растворим в воде. Гидрокарбонат магния - водный раствор. Доступен сульфат магния - соль эпсома, английская соль. Гидроксид кальция - едкая известь. Плохо растворима в воде, не пригодна к употреблению в пищу.