Vào một buổi sáng mùa đông có tuyết rơi, khi xe dọn tuyết chạy qua và rải những hạt trắng trên đường, con đường đóng băng nhanh chóng bắt đầu tan thành lớp nước nhão. Dù cùng ở nhiệt độ dưới không, nước biển vẫn khó đóng băng, còn kem để lâu trong ngăn đông cũng không cứng như đá. Nguyên lý chung ẩn sau tất cả những cảnh tượng này chính là sự hạ điểm đông đặc.
Nói đơn giản, sự hạ điểm đông đặc là “hiện tượng nhiệt độ đông đặc của một chất lỏng giảm xuống khi có chất khác hòa tan trong chất lỏng tinh khiết đó”. Nước tinh khiết đóng băng ở 0 độ, nhưng nước có hòa tan muối hoặc đường phải lạnh hơn nữa mới trở thành băng. Trong hóa học, đây được xem là một tính chất tiêu biểu có độ lớn phụ thuộc vào số lượng hạt hòa tan hơn là loại chất hòa tan.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ nguyên lý khiến điểm đông đặc hạ xuống, cách ước tính mức độ hạ, những ứng dụng trên đường sá, trong ô tô và nhà bếp, cho đến ứng dụng ở sinh vật chịu lạnh và trong kiểm tra chất lượng.
Nguyên lý các hạt hòa tan làm chậm sự hình thành băng
Vì sao chất hòa tan cản trở sự đông đặc?
Khi nước đóng băng, các phân tử nước sắp xếp theo trật tự như đang nắm tay nhau, tạo thành tinh thể băng. Tại nơi băng tiếp xúc với nước, các phân tử đồng thời bám vào băng và tách khỏi băng; nhiệt độ mà hai tốc độ này bằng nhau chính là điểm đông đặc.
(1) Số phân tử có thể bám vào băng giảm đi
Khi muối hòa tan trong nước, các hạt muối xen vào giữa những phân tử nước. Số phân tử nước tiến đến bề mặt băng vì thế giảm đi, khiến băng phát triển chậm hơn.
(2) Quá trình tan vẫn như cũ
Trong khi đó, băng chỉ được tạo thành từ các phân tử nước tinh khiết nên tốc độ các phân tử tách khỏi băng hầu như không thay đổi. Vì vậy, để tốc độ đông đặc và tốc độ tan lại cân bằng, nhiệt độ phải giảm thêm.
(3) Trạng thái hỗn hợp ổn định hơn
Dung dịch có nhiều chất trộn đều ở trạng thái hỗn loạn hơn nước tinh khiết, nên có xu hướng tự duy trì trạng thái đó mạnh hơn. Vì vậy, cần nhiệt độ thấp hơn để chuyển thành băng có cấu trúc trật tự.
Số lượng hạt quyết định mức độ hạ
Điểm đông đặc giảm bao nhiêu phụ thuộc vào số lượng hạt phân tán trong nước hơn là bản chất của chất hòa tan. Tính chất này được gọi là tính chất tập hợp; hiện tượng tăng điểm sôi và áp suất thẩm thấu cũng thuộc cùng nhóm này.
- Quy luật của dung dịch loãng (Blagden's Law): Vào thế kỷ 18, nhà khoa học người Anh Charles Blagden phát hiện rằng mức hạ điểm đông đặc tỉ lệ thuận với lượng chất hòa tan. Trong dung dịch loãng, nếu tăng gấp đôi lượng chất hòa tan thì mức hạ điểm đông đặc cũng tăng gần gấp đôi.
- Giá trị chuẩn của nước (Cryoscopic Constant): Khi có 1 mol hạt hòa tan trong 1 kilôgam nước, điểm đông đặc giảm khoảng 1.86 độ. Giá trị này khác nhau tùy dung môi: với benzen là khoảng 5.12 độ, còn với long não lên tới khoảng 39.7 độ.
- Hiệu ứng của chất phân ly (Van 't Hoff Factor): Khi đường hòa tan trong nước, mỗi phân tử vẫn là một hạt, còn muối phân ly thành hai ion: ion natri và ion clorua. Vì vậy, với cùng số mol, muối làm giảm điểm đông đặc khoảng gấp đôi so với đường.
Trên đường sá, trong ô tô và nhà bếp
Sự hạ điểm đông đặc được ứng dụng trong nhiều cách chúng ta vượt qua mùa đông. Chính xác hơn, muối hòa tan vào lớp nước mỏng trên bề mặt băng và ngăn nước đó đóng băng trở lại, thay vì trực tiếp làm tan băng.
Giới hạn nhiệt độ của chất làm tan tuyết
Natri clorua thường được rải trên đường có thể hạ điểm đông đặc của nước xuống mức thấp nhất khoảng âm 21 độ. Ở nơi lạnh hơn, hiệu quả của nó giảm nên người ta dùng các muối khác như canxi clorua hoặc magiê clorua. Tuy nhiên, những muối này dễ gây ăn mòn sắt, nên tại những nơi có nhiều thiết bị kim loại như sân bay, người ta dùng các chất làm tan tuyết như kali fomat hoặc kali axetat để thay thế.
Chất chống đông và kem
Trong hệ thống làm mát ô tô, người ta dùng chất chống đông pha từ nước và ethylene glycol để bộ tản nhiệt không bị đóng băng rồi vỡ ngay cả giữa mùa đông. Kem vẫn mềm đến mức có thể dùng thìa múc dù ở nhiệt độ dưới không cũng là nhờ đường hòa tan làm hạ điểm đông đặc, khiến một phần kem vẫn chưa đông lại.
Sinh vật chịu lạnh và kiểm tra chất lượng
Sự hạ điểm đông đặc vừa là bí quyết giúp sinh vật vượt qua giá rét khắc nghiệt, vừa được dùng làm công cụ đo lường chính xác trong phòng thí nghiệm và nhà máy.
(1) Sinh vật tạo chất chống đông trong cơ thể
Cá ốt me cầu vồng ở Bắc Mỹ tích lũy glycerol trong cơ thể khi mùa đông đến, nhờ đó sống sót ngay cả ở cửa sông đóng băng. Khi giá rét ập đến, một số loài ếch phân giải glycogen dự trữ trong gan và giải phóng một lượng lớn glucose vào máu. Nhựa cây cũng khó đóng băng vào mùa đông nhờ các chất hòa tan.
(2) Phát hiện sữa có bị pha nước hay không
Do có lactose và khoáng chất hòa tan, điểm đông đặc của sữa luôn thấp hơn nước một mức ổn định. Nếu pha thêm nước, điểm đông đặc sẽ tăng về phía 0 độ, nên ngành sữa đo điểm đông đặc để kiểm tra sữa có bị pha nước hay không.
(3) Đo độ tinh khiết và khối lượng phân tử
Khi chất rắn tinh khiết lẫn tạp chất, điểm nóng chảy giảm và khoảng nhiệt độ nóng chảy cũng rộng ra. Vì vậy, trong thí nghiệm hóa học hữu cơ, người ta đo điểm nóng chảy để đánh giá độ tinh khiết của chất, đồng thời cũng có thể tính khối lượng phân tử của một chất chưa biết dựa trên mức hạ điểm đông đặc.
Sự hạ điểm đông đặc cho thấy chỉ vài hạt nhỏ không nhìn thấy bằng mắt cũng có thể trì hoãn thời điểm nước chuyển thành băng. Từ chất làm tan tuyết trên đường mùa đông, chất chống đông cho ô tô, đến cá không bị đóng băng và việc kiểm tra sữa, tất cả đều xuất phát từ cùng một nguyên lý.
Nhận ra sức mạnh của các hạt hòa tan trong những khung cảnh mùa đông quen thuộc chính là bước đầu tiên của hóa học trong việc tìm hiểu tính chất của dung dịch.
