Khi rót sữa vào cốc, chất lỏng màu trắng trông hòa quyện đồng đều, như thể có thứ gì đó đã tan hoàn toàn trong đó. Thế nhưng chất béo và protein trong sữa không phân tán thành từng phân tử riêng lẻ như muối tan trong nước, mà lơ lửng trong nước dưới dạng những cụm cực nhỏ. Các cụm này nhỏ đến mức để lâu cũng không dễ lắng xuống.
Hỗn hợp ở trạng thái trung gian như thế, không tan mà cũng không lắng, được gọi là “chất keo (Colloid)”. Nói đơn giản, chất keo là trạng thái trong đó những hạt nhỏ đến mức mắt thường không thấy được phân tán đều và lơ lửng trong một chất khác. Nhiều chất quen thuộc quanh ta như sữa, mayonnaise, thạch và sương mù đều thuộc loại này.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu chất keo là gì và khác dung dịch ra sao, trong đời sống có những chất keo nào, hiệu ứng Tyndall xuất hiện khi chiếu ánh sáng qua là gì, và cả cách chủ động làm cho các hạt keo kết tụ lại.
Thế giới của những hỗn hợp tưởng tan mà không tan
Chất keo là gì
Chất keo là loại hỗn hợp được phân biệt dựa trên kích thước hạt.
(1) Nằm giữa dung dịch và huyền phù
Hỗn hợp trong đó một chất tan ở dạng ion hoặc phân tử, như nước muối, được gọi là dung dịch; còn hỗn hợp có những hạt lớn lơ lửng một lúc rồi lắng xuống, như nước bùn, được gọi là huyền phù. Chất keo nằm ở giữa: hạt của nó lớn hơn nhiều so với hạt trong dung dịch nhưng đủ nhỏ để không tự lắng xuống.
(2) Từ 1 nanomet đến 1 micromet
Liên minh Quốc tế về Hóa học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC) coi một hệ ở trạng thái keo khi kích thước của các hạt phân tán, ít nhất theo một chiều, nằm trong khoảng xấp xỉ từ 1 nanomet đến 1 micromet. Tuy nhiên, ranh giới này không phải là tiêu chuẩn nghiêm ngặt mà chỉ là một khoảng gần đúng, có thể xê dịch đôi chút tùy theo tính chất.
(3) Cái tên bắt nguồn từ keo da
Tên gọi colloid do nhà hóa học người Anh Thomas Graham đặt ra vào năm 1861. Khi xếp riêng những chất như keo da và gelatin, vốn khó đi qua màng và khuếch tán chậm, thành một nhóm, ông đã lấy tên từ kolla, từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là keo.
- Chất phân tán (Dispersed Phase): Những hạt nhỏ phân tán và lơ lửng trong chất keo.
- Môi trường phân tán (Dispersion Medium): Chất nền chứa các hạt, chẳng hạn như nước hoặc không khí.
Chất keo quanh ta
Tùy theo chất phân tán và môi trường phân tán là gì, chất keo xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau.
- Sol: Trạng thái các hạt rắn phân tán trong chất lỏng và có thể chảy, như mực tàu hay màu vẽ.
- Gel: Trạng thái các hạt liên kết với nhau như tấm lưới, giữ chất lỏng bên trong và đông lại; thạch, muk (thạch tinh bột kiểu Hàn Quốc) và đậu phụ là những ví dụ tiêu biểu.
- Nhũ tương (Emulsion): Trạng thái các giọt của một chất lỏng phân tán trong một chất lỏng khác; sữa và mayonnaise thuộc loại này.
- Bọt (Foam): Trạng thái khí bị giữ lại trong chất lỏng hoặc chất rắn; kem tươi đánh bông và miếng bọt biển là những ví dụ.
- Sol khí (Aerosol): Trạng thái các giọt lỏng nhỏ hoặc hạt rắn lơ lửng trong chất khí; sương mù và khói là những ví dụ tiêu biểu.
Vì cùng là chất keo mà tính chất lại đa dạng như vậy, kiến thức về chất keo được dùng rộng rãi để điều chỉnh độ dai, mềm của thực phẩm hay để trộn đều mỹ phẩm và thuốc.
Hiệu ứng Tyndall làm lộ ra đường đi của ánh sáng
Dù mắt thường không thấy được các hạt keo, sự hiện diện của chúng sẽ lộ ra khi được chiếu sáng.
(1) Vì sao thấy được đường đi của ánh sáng
Trong phòng tối, nếu chiếu bút laser lần lượt qua nước muối và sữa pha loãng, ta gần như không thấy đường đi của ánh sáng trong nước muối, nhưng lại thấy rõ một vệt sáng trong sữa pha loãng. Đó là vì các hạt keo tán xạ ánh sáng ra mọi hướng, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Tyndall (Tyndall Effect).
(2) Thí nghiệm khói của Tyndall
Tên gọi này bắt nguồn từ nhà vật lý người Anh thế kỷ 19 John Tyndall. Vào những năm 1860, ông làm thí nghiệm chiếu ánh sáng qua một ống chứa đầy khói và quan sát thấy ánh sáng có màu xanh lam khi nhìn ống từ bên cạnh, còn có màu đỏ khi nhìn từ đầu bên kia.
(3) Kính hiển vi nhìn thấy những hạt vô hình
Năm 1902, Richard Zsigmondy và Henry Siedentopf đã dựa vào nguyên lý này để chế tạo kính siêu hiển vi (Ultramicroscope). Vì quan sát từ bên cạnh ánh sáng do hạt tán xạ chứ không phải bản thân hạt, nó giúp quan sát được những hạt keo mà kính hiển vi thông thường không thấy được, và Zsigmondy đã nhận giải Nobel Hóa học năm 1925.
Cách làm cho chất keo kết tụ
Chất keo giữ được trạng thái phân tán lâu là có lý do, và nếu loại bỏ lý do đó thì có thể chủ động làm cho các hạt kết tụ lại.
(1) Những hạt đẩy nhau
Bề mặt các hạt keo thường mang điện tích cùng loại nên chúng đẩy nhau khi đến gần. Thêm vào đó là chuyển động Brown, khi các phân tử nước liên tục va vào hạt và làm chúng lắc lư khắp nơi, khiến các hạt không dễ kết tụ cũng không dễ lắng xuống.
(2) Sự keo tụ do muối
Khi cho một chất giàu ion vào chất keo, điện tích trên bề mặt hạt bị che chắn và các hạt dính vào nhau, hiện tượng này gọi là sự keo tụ. Việc cho nước muối ót (nigari) vào sữa đậu nành để làm đậu phụ, hay phù sa theo dòng sông gặp nước biển rồi bồi lắng ở cửa sông, cũng là những hiện tượng liên quan.
(3) Chất keo tụ làm trong nước
Ở nhà máy xử lý nước, vì những hạt đất cực nhỏ trong nước khó lắng xuống nên người ta cho chất keo tụ như phèn chua vào. Khi đó các hạt nhỏ kết lại với nhau thành những khối lớn, và sau khi các khối này lắng xuống rồi được lọc bỏ, nước sẽ trở nên trong.
Chất keo là một trạng thái độc đáo do những hạt nhỏ không tan cũng không lắng tạo nên, và nó ẩn mình trong một cốc sữa, một buổi sáng sương mù hay một bìa đậu phụ. Khi hiểu được kích thước và tính chất điện của hạt, con người có thể tự chọn giữ cho các chất hòa trộn hay làm chúng kết tụ lại.
Biết rằng ngay cả trong một chất trông trong suốt cũng có thể có những hạt vô hình đang lơ lửng, đó chính là bước đầu tiên của tư duy hóa học giúp hiểu được cấu trúc ẩn của hỗn hợp.
