Chưng cất là gì: nguyên lý bay hơi và ngưng tụ giải thích dễ hiểu

Chưng cất là cách tách các chất trong một hỗn hợp lỏng dựa vào chuyện chúng bay hơi nhanh chậm khác nhau: đun nóng để chất dễ bay hơi hơn chuyển thành hơi, dẫn hơi sang chỗ khác rồi làm lạnh cho nó ngưng lại thành lỏng. Phần thu được gọi là dịch cất, phần ở lại trong nồi gọi là cặn. Toàn bộ kỹ thuật này gói trong ba động tác: bay hơi, dẫn đi, ngưng tụ.

Hai nửa của một phép chưng cất

Bay hơi: phân tử "thoát" khỏi mặt chất lỏng

Trong một cốc nước, các phân tử không đứng yên. Chúng va nhau liên tục, có con chạy nhanh, có con chạy chậm. Phân tử nào ở sát mặt thoáng mà đủ năng lượng để thắng lực hút của các phân tử xung quanh thì bứt ra thành hơi. Nhiệt độ càng cao, số phân tử đủ "sức" càng nhiều, chất lỏng bay hơi càng nhanh.

Mỗi chất có lực hút giữa các phân tử mạnh yếu khác nhau. Aceton (chất trong nước rửa sơn móng tay) hút nhau yếu nên sôi ở khoảng 56 °C. Nước có liên kết hydro chằng chịt nên phải tới 100 °C ở áp suất khí quyển chuẩn. Glyxerin hút nhau mạnh hơn nữa, gần 290 °C mới sôi. Chưng cất khai thác đúng khoảng cách đó: cùng một mức nhiệt, chất này bay đi nhiều, chất kia bay đi ít.

Ngưng tụ: hơi gặp lạnh thì trả lại thành lỏng

Khi hơi chạm vào một bề mặt lạnh hơn, phân tử mất năng lượng, bám lại với nhau và thành giọt. Đó là lớp nước đọng dưới nắp nồi canh, là mồ hôi trên vỏ lon nước ngọt lấy từ tủ lạnh ra. Trong thiết bị chưng cất, bề mặt lạnh ấy là ống sinh hàn: một ống dẫn hơi được bao ngoài bằng nước mát chảy liên tục.

Điều ít người để ý: bay hơi "nuốt" rất nhiều nhiệt, ngưng tụ "nhả" lại đúng lượng nhiệt đó. Đun 1 kg nước từ 25 °C lên 100 °C cần khoảng 0,31 MJ, nhưng biến 1 kg nước đang sôi thành hơi cần thêm khoảng 2,26 MJ, gấp hơn bảy lần. Vì thế ống sinh hàn phải có nước làm mát chảy đủ mạnh, và cũng vì thế bỏng hơi nước nặng hơn bỏng nước sôi: hơi ngưng trên da trả toàn bộ phần nhiệt ẩn ấy vào da.

Vì sao phần hơi bay lên lại "giàu" chất dễ bay hơi

Hãy hình dung một nồi nước muối. Muối gần như không bay hơi, nên hơi bốc lên chỉ có nước. Ngưng hơi đó lại, ta có nước gần như không còn muối. Đây là trường hợp dễ nhất: một chất bay hơi, một chất không.

Khó hơn là khi cả hai đều bay hơi, ví dụ hỗn hợp aceton và nước. Khi hỗn hợp này sôi, hơi bốc lên chứa cả hai, nhưng tỉ lệ aceton trong hơi cao hơn hẳn tỉ lệ aceton trong nồi. Ngưng hơi đó lại, ta được một chất lỏng giàu aceton hơn hỗn hợp ban đầu, nhưng chưa sạch. Nếu đem chất lỏng mới này đun lần nữa, hơi của nó lại giàu aceton thêm một bậc. Mỗi lần bay hơi rồi ngưng tụ là một bậc làm giàu. Các kiểu chưng cất khác nhau, suy cho cùng, là các cách sắp xếp để có một bậc hay hàng chục, hàng trăm bậc như thế.

Từ đây có một nguyên tắc nền: chưng cất không tạo ra chất mới, nó chỉ chia lại những gì đã có trong hỗn hợp thành các phần giàu chất này, giàu chất kia. Chất nào không có trong nguyên liệu thì không cất ra được, trừ khi nhiệt làm nó biến đổi, mà đó lại là điều người làm nghề luôn cố tránh.

Đường đi của hơi: các bộ phận cơ bản

Dù là bình thuỷ tinh trong phòng thí nghiệm, lò cất tinh dầu tràm ở làng quê hay tháp cao vài chục mét ở nhà máy, sơ đồ đều giống nhau.

Một chi tiết an toàn đúng cho mọi quy mô: hệ chưng cất thông thường phải hở ra không khí ở cuối đường đi, trừ khi được thiết kế riêng cho áp suất hoặc chân không. Đun một hệ kín thì hơi không có lối thoát, áp suất tăng tới khi có chỗ vỡ.

Các kiểu chưng cất thường gặp

Từ nguyên lý chung, người ta tạo ra nhiều biến thể để hợp với từng loại hỗn hợp. Bảng dưới đây chỉ để định vị; mỗi kiểu có bài riêng trong danh mục này.

• Chưng cất đơn giản: hơi đi thẳng từ bình sang ống sinh hàn, một bậc làm giàu. Hợp với tách chất lỏng khỏi chất rắn hoà tan, hoặc hai chất sôi cách xa nhau.
• Chưng cất phân đoạn: thêm cột ở giữa để hơi ngưng rồi bay lại nhiều lần, tách được các chất sôi gần nhau. Tháp lọc dầu là dạng khổng lồ của kiểu này.
• Chưng cất lôi cuốn hơi nước: dùng hơi nước để kéo theo những chất không tan trong nước, sôi cao, như tinh dầu, ở nhiệt độ dưới 100 °C.
• Chưng cất chân không: hút bớt không khí để hạ áp suất, chất lỏng sôi ở nhiệt độ thấp hơn, tránh làm hỏng chất sợ nhiệt.
• Chưng cất phân tử, màng mỏng: áp suất cực thấp, quãng đường hơi đi rất ngắn, dùng cho dầu cá, vitamin và các chất rất dễ phân huỷ.

Chưng cất có mặt ở đâu quanh ta

Lớn nhất là ngay trên đầu. Mặt trời đun nóng biển và mặt đất, nước bay hơi bỏ lại muối và cặn, hơi lên cao gặp lạnh ngưng thành mây rồi rơi xuống thành mưa nước ngọt. Vòng tuần hoàn nước là một phép chưng cất quy mô hành tinh, chạy bằng năng lượng mặt trời.

Trong đời sống con người, chưng cất làm ra:

• Nước cất cho phòng thí nghiệm, bệnh viện, ắc quy chì, bàn là hơi nước.
• Tinh dầu sả, tràm, quế, hồi, bạc hà, khuynh diệp; phần lớn tinh dầu trên thế giới được cất bằng hơi nước.
• Xăng, dầu hoả, diesel, nhựa đường tách ra từ dầu thô trong tháp chưng cất.
• Oxy, nitơ, argon tách ra từ không khí hoá lỏng ở nhiệt độ gần âm 200 °C; bình oxy trong bệnh viện phần lớn đến từ đây.
• Dung môi tinh khiết, dược chất trong công nghiệp hoá chất và dược phẩm.

Những hiểu lầm hay gặp

"Chưng cất là đun cho cạn." Không phải. Cô cạn là bỏ phần hơi, giữ phần cặn; chưng cất là giữ phần hơi đã ngưng lại. Cất tới khô bình còn là thói quen nguy hiểm, vì cặn có thể quá nhiệt, cháy khét, hoặc với một số dung môi thì tích tụ chất dễ nổ.

"Chất sôi ở 200 °C thì phải đun tới 200 °C mới cất được." Cũng không hẳn. Mọi chất lỏng đều có áp suất hơi ở bất kỳ nhiệt độ nào, chỉ là lớn hay nhỏ. Tinh dầu sả có thành phần chính sôi trên 200 °C mà vẫn đi theo hơi nước ở dưới 100 °C. Đó là lý do có chưng cất lôi cuốn hơi nước.

"Đã cất là tinh khiết tuyệt đối." Dịch cất sạch hơn nguyên liệu, nhưng có giới hạn: giọt nhỏ có thể bắn theo hơi, chất sôi gần nhau cùng đi, và có những hỗn hợp đặc biệt (hỗn hợp đẳng phí) mà chưng cất thường không tách nổi quá một tỉ lệ nhất định.

"Nước cất là nước uống tốt nhất." Nước cất được làm cho mục đích kỹ thuật: pha hoá chất, rửa dụng cụ, chạy máy. Nó gần như không còn khoáng chất. Chọn nước uống là chuyện của tiêu chuẩn nước sinh hoạt và lời khuyên của bác sĩ, không phải của bài về chưng cất.

Tự thấy nguyên lý ngay trong bếp, an toàn

Không cần thiết bị gì đặc biệt để thấy bay hơi và ngưng tụ tách được muối ra khỏi nước:

1. Pha một cốc nước muối khá mặn, đổ vào nồi nhỏ, đặt một chiếc bát sạch nổi hoặc kê giữa nồi.
2. Úp ngược nắp nồi (núm hướng xuống, ngay trên bát), đặt vài viên đá lên mặt nắp.
3. Đun lửa nhỏ. Hơi bốc lên gặp nắp lạnh, ngưng thành giọt, chảy về phía núm và nhỏ vào bát.
4. Tắt bếp, chờ nguội hẳn mới mở. Nhỏ một giọt nước trong bát và một giọt nước muối ban đầu lên mặt đĩa sẫm màu, để khô: giọt nước muối để lại vệt trắng, giọt nước ngưng gần như không.

Lưu ý: luôn có người lớn bên cạnh nếu trẻ làm; nhấc nắp thì hướng ra xa mặt và tay vì hơi nóng bỏng nặng; chỉ làm với nước và muối, không thay bằng cồn hay bất kỳ chất lỏng dễ cháy nào.

Muốn đọc kỹ hơn, sách giáo khoa Hoá học phổ thông có phần phương pháp tách và tinh chế; người học kỹ thuật có thể tìm bộ "Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất" (Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật), phần chưng cất trình bày cả cách tính.