Dung môi là chất lỏng dùng để hoà tan chất khác, tạo thành dung dịch đồng nhất: nước hoà tan đường và muối, cồn hoà tan nhựa cây và hương liệu, dầu hoà tan tinh dầu và son môi. Quy tắc dễ nhớ nhất trong hoá học là "giống tan trong giống": chất phân cực tan tốt trong dung môi phân cực như nước, chất không phân cực tan tốt trong dung môi không phân cực như dầu. Hiểu quy tắc này là hiểu vì sao tinh dầu không tan trong nước, vì sao dầu ăn tẩy được vết keo, và vì sao nước rửa chén phải có chất hoạt động bề mặt.
Dung môi, chất tan và dung dịch
Pha một thìa đường vào cốc nước, khuấy, đường biến mất. Đường là chất tan, nước là dung môi, cốc nước đường là dung dịch. Đường không mất đi; các phân tử đường đã tách khỏi tinh thể và phân tán đều giữa các phân tử nước, nhỏ tới mức không còn thấy, không lắng xuống, không lọc ra được bằng giấy lọc.
Muốn chuyện đó xảy ra, phân tử dung môi phải "kéo" được phân tử chất tan ra khỏi nhau, và lực hút mới giữa dung môi và chất tan phải đủ bù cho lực hút cũ bị phá vỡ. Đây là chỗ quy tắc "giống tan trong giống" bắt đầu.
Nước: dung môi phân cực mạnh nhất quanh ta
Phân tử nước có hình chữ V, góc giữa hai nguyên tử hydro khoảng 104,5 độ. Nguyên tử oxy hút điện tử mạnh hơn hydro, nên đầu oxy hơi âm, hai đầu hydro hơi dương. Một phân tử như vậy gọi là phân cực, giống một thanh nam châm điện rất nhỏ. Các phân tử nước còn hút nhau bằng liên kết hydro, mạnh hơn nhiều so với lực hút giữa các phân tử dầu.
Nhờ phân cực, nước bao quanh được các ion. Khi thả muối vào nước, đầu âm của phân tử nước quay về phía ion natri dương, đầu dương quay về phía ion clorua âm, kéo từng ion ra khỏi mạng tinh thể. Đường không phải ion, nhưng phân tử đường có rất nhiều nhóm –OH tạo liên kết hydro với nước. Vì vậy nước hoà tan được rất nhiều đường: ở 20 °C, một lít nước hoà tan được khoảng 2 kg đường kính, nhưng chỉ khoảng 360 gam muối ăn.
Dầu ăn thì khác. Phân tử dầu là những chuỗi carbon và hydro dài, gần như không phân cực. Nước không có gì để "nắm" vào chúng; ngược lại, nước thích bám vào nhau bằng liên kết hydro hơn. Kết quả là dầu bị đẩy ra, tụ thành lớp nổi. Chuyện vì sao dầu và nước không hoà, và những hiệu ứng đẹp mắt trên mặt phân cách giữa chúng, là một đề tài riêng; ở đây chỉ cần nhớ: dầu không tan trong nước vì hai bên không "giống" nhau.
Bảng dung môi thường gặp
Độ phân cực của dung môi thường được so bằng hằng số điện môi: số càng lớn, dung môi càng phân cực. Bảng dưới đây xếp từ phân cực mạnh tới yếu.
| Dung môi | Hằng số điện môi (xấp xỉ, 20–25 °C) | Hoà tan tốt | Lưu ý an toàn |
|---|---|---|---|
| Nước | 80 | Muối, đường, axit, nhiều chất màu thực phẩm | An toàn |
| Glycerin | 42 | Đường, một số hương liệu, chất giữ ẩm mỹ phẩm | Ít bay hơi, an toàn khi dùng ngoài |
| Ethanol (cồn) | 24–25 | Tinh dầu, hương liệu, nhựa cây, mực | Dễ cháy, giữ xa lửa |
| Axeton | 21 | Sơn móng tay, keo, nhựa | Rất dễ cháy, bay hơi nhanh |
| Ethyl acetat | 6 | Sơn móng, keo, hương trái cây | Dễ cháy |
| Dầu thực vật | khoảng 3 | Tinh dầu, son, sáp, vết keo dán | An toàn, không bay hơi |
| Hexan | khoảng 2 | Dầu mỡ, sáp | Rất dễ cháy, hơi độc thần kinh; chỉ dùng trong công nghiệp |
Ethanol nằm ở giữa nên đặc biệt hữu dụng: nó vừa có nhóm –OH phân cực, vừa có đoạn carbon không phân cực. Vì thế ethanol trộn lẫn với nước theo mọi tỷ lệ mà vẫn hoà tan được nhiều chất thơm vốn kỵ nước. Đó là lý do nước hoa truyền thống dùng cồn làm dung môi: tinh dầu và hương liệu tan trong cồn, sau đó có thể pha thêm chút nước mà không tách lớp, miễn là tỷ lệ cồn còn đủ cao.
Dung môi trong chưng cất và chiết tinh dầu
Ngành hương liệu dùng cả hai cách để lấy chất thơm ra khỏi cây:
- Chưng cất lôi cuốn hơi nước: dùng nước làm "chất mang". Hơi nước kéo các phân tử tinh dầu bay theo, ngưng tụ lại thì tinh dầu, vốn không tan trong nước, tách thành lớp nổi hoặc chìm. Ở đây chính tính không tan của tinh dầu trong nước làm cho việc tách lớp dễ dàng.
- Chiết bằng dung môi: với hoa quá mỏng manh để chịu nhiệt như nhài, huệ, người ta ngâm hoa trong dung môi không phân cực ở nhà máy, rồi chưng cất thu hồi dung môi, thu được sáp thơm gọi là concrete, sau đó rửa bằng cồn để có absolute.
- Chiết bằng CO₂ siêu tới hạn: CO₂ nén ở áp suất cao trở thành một dung môi đặc biệt, chiết xong chỉ cần giảm áp là CO₂ bay đi hết, không để lại dư lượng.
Những kỹ thuật chiết bằng dung môi dễ cháy chỉ thực hiện trong nhà máy có thiết bị phòng nổ, thông gió và hệ thống thu hồi hơi. Đun sôi cồn, xăng, hexan hay ete trong bếp gia đình để "chiết tinh dầu" là cách nhanh nhất để gây cháy nổ. Ở nhà, cách an toàn là ngâm thảo mộc trong dầu ăn ở nhiệt độ phòng, nơi không có lửa.
"Giống tan trong giống" trong việc nhà
Quy tắc này giải thích rất nhiều mẹo quen thuộc:
- Vết keo dán nhãn trên lọ thuỷ tinh: keo là chất không phân cực, nước xà phòng khó tẩy. Thoa một lớp dầu ăn, để vài phút, keo mềm ra và lau sạch, sau đó rửa lại bằng nước rửa chén.
- Tẩy trang: son lì, mascara chống nước là hỗn hợp sáp và dầu, nên dầu tẩy trang hoặc sáp tẩy trang hoà tan chúng tốt hơn nước. Nước tẩy trang dạng micellar chứa những hạt chất hoạt động bề mặt cực nhỏ làm cầu nối giữa nước và dầu.
- Vết mực bi trên áo: mực bi tan trong cồn. Chấm cồn y tế bằng bông, lót giấy dưới vết, thấm dần từ ngoài vào. Làm ở chỗ thoáng, xa bếp.
- Nhựa mít, nhựa thông dính tay: xoa dầu ăn lên tay trước rồi rửa bằng xà phòng.
- Pha tinh dầu: muốn thoa da thì pha tinh dầu vào dầu nền như dầu dừa, dầu hạnh nhân. Nhỏ tinh dầu trực tiếp vào bồn tắm nước thì tinh dầu nổi thành giọt, bám thẳng lên da ở nồng độ đậm đặc, dễ gây kích ứng. Chai xịt phòng pha tinh dầu với nước phải lắc trước mỗi lần xịt, vì tinh dầu tách lớp ngay.
Khi dầu và nước phải ở chung: chất hoạt động bề mặt
Có những phân tử mang cả hai tính cách: một đầu ưa nước, một đuôi ưa dầu. Chúng gọi là chất hoạt động bề mặt. Xà phòng, nước rửa chén, lecithin trong lòng đỏ trứng đều thuộc nhóm này. Đuôi ưa dầu chui vào giọt dầu mỡ, đầu ưa nước quay ra ngoài, bao giọt dầu lại thành những hạt nhỏ trôi được theo nước. Nước rửa chén vì thế làm được việc mà nước nóng không làm được. Chất hoạt động bề mặt cũng là chìa khoá của nhũ tương như sữa, mayonnaise, kem dưỡng da, một đề tài kéo dài cả một bài riêng.
An toàn với dung môi trong nhà
Nhiều sản phẩm gia dụng chứa dung môi hữu cơ: nước rửa móng tay, keo dán, sơn, chất tẩy vết dầu, xăng thơm, dầu hoả. Một vài nguyên tắc:
- Không đun, không để gần lửa: hơi của axeton, cồn, xăng có thể bắt lửa từ một bếp ga cách vài mét.
- Thông gió: mở cửa sổ khi dùng; nhiều dung môi là chất hữu cơ dễ bay hơi, gây đau đầu, chóng mặt khi hít lâu trong phòng kín.
- Đựng đúng bao bì gốc, có nhãn. Tuyệt đối không chiết dung môi sang chai nước uống: đây là nguyên nhân hay gặp của ngộ độc ở trẻ nhỏ.
- Không đổ xuống cống, bồn cầu; gom lại theo hướng dẫn thu gom chất thải nguy hại của địa phương.
- Nuốt nhầm: không gây nôn, gọi 115 hoặc đưa ngay đến cơ sở y tế, mang theo chai sản phẩm.
Câu hỏi thường gặp
Dung môi là gì?
Dung môi là chất, thường là chất lỏng, có khả năng hoà tan chất khác để tạo thành dung dịch đồng nhất. Nước là dung môi phổ biến nhất; cồn, axeton, dầu thực vật cũng là dung môi cho những loại chất khác nhau.
"Giống tan trong giống" nghĩa là gì?
Là quy tắc: chất phân cực tan tốt trong dung môi phân cực, chất không phân cực tan tốt trong dung môi không phân cực. Vì vậy muối, đường tan trong nước, còn sáp, mỡ, tinh dầu tan trong dầu hoặc cồn.
Vì sao tinh dầu không tan trong nước?
Phân tử tinh dầu chủ yếu là các hợp chất hữu cơ ít phân cực, không tạo được liên kết hydro mạnh với nước. Nước đẩy chúng ra nên tinh dầu tách thành lớp riêng; muốn pha loãng tinh dầu cần dầu nền, cồn hoặc chất nhũ hoá.
Vì sao nước hoa dùng cồn làm dung môi?
Cồn ethanol vừa có phần phân cực vừa có phần không phân cực, nên hoà tan được tinh dầu và hương liệu lại trộn lẫn được với nước. Cồn còn bay hơi nhanh, giúp mùi toả ra khi xịt lên da.
Dùng dầu ăn tẩy vết keo có được không?
Được với keo dán nhãn trên thuỷ tinh, kim loại, nhựa cứng. Keo là chất không phân cực nên tan dần trong dầu; thoa dầu, chờ vài phút, lau sạch rồi rửa lại bằng nước rửa chén.
