Phương pháp nào là đơn giản và phù hợp nhất để tách cát ra khỏi hỗn hợp rắn cất và đường

Đến các trang khác: Hóa học Phổ thông, Hóa học căn bản, Khái niệm về vật chất, Các thuộc tính của một chất, Sự phân chia về cấu tạo chất.

Dưới đây là phần nội dung Các phương pháp tách một chất ra khỏi hỗn hợp của phần Hóa học Phổ thông.

Ở phần TRƯỚC, chúng ta đã nói đến những tính chất đặc trưng của một chất. Vậy thì:

• Làm sao chúng ta có thể biết những tính chất đó?
• Dựa vào các tính chất đó, chúng ta có thể phân biệt giữa chất này với chất kia không, có thể tách một chất ra khỏi hỗn hợp không? Nếu có thì con người đã làm như thế nào?

1. Xác định các tính chất đặc trưng
2. Các phương pháp tách một chất ra khỏi hỗn hợp
3. Tóm tắt

1. Xác định các tính chất đặc trưng

Để biết được tính chất của một chất, chúng ta cần phải có những biện pháp xác định cụ thể. Các nhà khoa học đã thực hiện xác định các tính chất bằng các phương pháp sau:

1.1. Quan sát

Quan sát là một thao tác đơn giản và đôi khi cũng hữu hiệu nhất để xác định các tính chất bề ngoài của một chất. Các nhà khoa học gọi chung đây là các tính chất cảm quan của một chất, là những tính chất có thể nhận biết bằng các giác quan.

Quan = giác quan, sát = khảo sát. Như vậy, quan sát có nghĩa là khảo sát bằng các giác quan, tức là dùng các giác quan để kiểm tra tính chất của một chất.

Các nhà khoa học có quan điểm rằng: Cái gì thấy được nghĩa là nó chắc chắn có. Cái gì không thấy được không có nghĩa là nó không có. Câu này có nghĩa là, nếu chúng ta thấy được một tính chất của một chất rõ ràng, nghĩa là tính chất đó là có thật. Còn nếu chúng ta không thấy được tính chất của một chất, không có nghĩa là nó không có. Khi nào có thể chứng minh rõ ràng được rằng chất đó không có tính chất nọ, thì khi đó mới có thể khẳng định chắc chắn rằng nó không có tính chất đó.

Nói vòng vo khó hiểu quá đúng không? Chúng ta sẽ gặp lại các khái niệm liên quan đến câu nói này nhiều hơn ở những phần khác. Vì vậy cũng đừng lo lắng nếu bạn không hiểu phần này nhé.

Một số tính chất cảm quan chúng ta có thể dễ dàng nhận biết ví dụ như:

• Màu sắc: màu đỏ, màu vàng, màu trắng, không màu, v.v.
• Hình dạng: hình tròn, hình vuông, hình hộp, hình cầu, hay vô định hình, v.v.
• Bề mặt: sần sùi, nhẵn bóng, v.v.
• Mùi: mùi thơm, mùi trứng thối, v.v.
• Vị: ngọt [đường], mặn [muối], cay [ớt], đắng [khổ qua], v.v.
• Thể chất: chất rắn, chất lỏng, chất khí, v.v.
• Độ nhớt, v.v.
• Và nhiều tính chất khác. . .

Vô định hình là một trạng thái mà chúng ta không xác định được hình dạng của vật chất đó. Nó có thể có hình dạng bất kỳ, và thường được mô tả bằng các hình dạng cơ bản nếu có thể. Ví dụ: hình ổ bánh mì, 2 hình vuông lớn nhỏ xếp cạnh nhau, v.v.

Đây là khái niệm rất dễ bị nhầm lẫn trong khoa học. Màu trắng là màu trắng, không màu là không màu và hai khái niệm này không giống nhau hoàn toàn.

Một vật có thể màu trắng hoàn toàn, ví dụ như sữa, dù ở trạng thái nào nó cũng có màu trắng. Vật màu trắng nghĩa là chúng ta thấy có màu trắng và có thể hoặc không thể nhìn xuyên suốt được.

Một vật trong suốt, chẳng hạn như đường. Ở các hạt tinh thể đường sử dụng trong nấu ăn tại nhà, có thể nói chúng ta thấy các hạt này khá trong suốt. Vật không màu nghĩa là không có màu, và trong suốt. Chúng ta luôn luôn nhìn xuyên qua được các vật không màu. Tuy nhiên, nếu chúng ta giã nhuyễn hạt đường thành các hạt bột nhỏ hơn, đường sẽ lại có màu trắng. Đây là hệ quả của hiện tượng tán xạ ánh sáng xảy ra khi kích thước tiểu phân [trong ví dụ này là kích thước hạt đường] quá nhỏ, làm cho ta nhìn thấy vật có màu trắng. Hiện tượng này sẽ được nói kỹ hơn ở phần Vật lý, hoặc phần Hóa lý.

Dưới đây là 2 hình phân biệt giữa vật màu trắng và vật không màu:

Một số tính chất, ví dụ như mùi vị, thường được hạn chế. Vì trong hóa học, chúng ta không thể biết chắc rằng chất đó có gây độc cho cơ thể hay không, nên việc thử bằng cách hít [mùi] hoặc nếm [vị] thì rất nguy hiểm. Do đó, trong việc xác định các tính chất, tính chất mùi vị được coi là không quan trọng và có thể bỏ qua nếu không cần thiết. Tính chất mùi thường được quan tâm nếu chất đó có mùi rất đặc trưng [ví dụ amoniac mùi khai, hydro sulfide mùi trứng thối, v.v.]

Ngoài ra, trong một số trường hợp, quan sát phản ứng của cơ thể sống đối với một chất cũng là cách để kháo sát tính chất sinh học. Ví dụ:

• Khi uống caffeine, ta thấy mất cảm giác buồn ngủ.
• Khi uống Paracetamol, ta thấy mất cảm giác đau.
• Uống nước lúc khát, ta cảm thấy cổ họng dễ chịu hơn.

Quan sát nước: Quan sát nước thì chúng ta có thể thấy được các tính chất như:

• Ở nhiệt độ phòng, nước là chất lỏng, không màu, không mùi, không vị, không có độ nhớt.
• Ở trong tủ lạnh [nhiệt độ 0oC], nước tồn tại ở dạng rắn, không màu, không mùi, không vị, bề mặt thường nhẵn bóng vì có lớp nước lỏng tan ra.

Quan sát ammonia:

• Ammonia là chất khí, không màu, có mùi khai.
• Không thử vị của ammonia vì ammonia không phải là chất nếm được [gây độc].

Quan sát muối ăn:

• Muối ăn là chất rắn, gồm các hạt nhỏ li ti.
• Muối ăn có màu trắng, không mùi, có vị mặn.

1.2. Làm thí nghiệm

Làm thí nghiệm nghĩa là thực hiện thí nghiệm bằng các dụng cụ, thiết bị, hóa chất, v.v. để chứng minh rằng tính chất đó là đúng hoặc sai. Làm thí nghiệm có nhiều mức độ, ở đây chỉ trình bày 2 mức độ đơn giản nhất là Dùng dụng cụ đo và Thực hiện phản ứng hóa học.

Dùng dụng cụ đo là phương thức đơn giản nhất để chủ yếu xác định các tính chất vật lý của vật chất. Có thể lấy các ví dụ như sau:

• Để biết khối lượng của một chất, ta dùng cân.
• Để biết thể tích của một chất, ta có thể đong bằng ống đong, bằng ly thủy tinh hay các vật dụng có chia vạch đong.
• Để biết chiều dài, chiều rộng của một vật, ta có thể đo bằng các loại thước: thước kẻ, thước Palmer, v.v.
• Để biết số lượng vi khuẩn trong một đơn vị diện tích, ta có thể đếm khi đang nhìn mẫu qua kính hiển vi.

Bên đây cũng chỉ là một số ví dụ. Ngoài ra, chúng ta có thể thấy các dụng cụ đo khác ở ngoài đời, thường kết thúc với chữ kế [hoặc suffix là meter trong tiếng Anh] như: nhiệt kế, volt kế, ampere kế, cồn kế, v.v.

Thực hiện phản ứng hóa học là cách tốt nhất để khảo sát tính chất hóa học của một chất. Thực hiện phản ứng hóa học nghĩa là sử dụng các chất, các yếu tố kích thích [nhiệt độ, ánh sáng, v.v.] để tạo ra phản ứng hóa học. Từ đó quan sát, nhận xét và đưa ra kết luận.

Từ các phản ứng hóa học, chúng ta có thể đưa ra các nhận xét dựa vào:

• Màu sắc, mùi vị.
• Trạng thái các chất trước và sau phản ứng.
• Các tính chất điện học, nhiệt học, v.v.

Đôi khi thông tin chưa đủ để đi đến kết luận, chúng ta có thể tiếp tục tiến hành phản ứng hóa học kế tiếp, để thu thập thêm thông tin về chất này rồi kết luận.

Ngoài các loại thí nghiệm nói ở trên, thì chúng ta cũng còn rất nhiều cách để khảo sát tính chất của một chất. Tuy nhiên, ở mức độ cơ bản thì chúng ta sẽ không tập trung quá sâu vào vấn đề.

2. Các phương pháp tách một chất ra khỏi hỗn hợp

Khi chúng ta nói đến tính chất của một chất, thì chúng ta đều đang nói đến chất đó với sự tinh khiết là 100%. Và trên thực tế, hầu hết mọi chất đều được mong muốn là tinh khiết tốt nhất có thể. Tuy nhiên, chúng ta luôn gặp các hỗn hợp gồm nhiều chất trong tự nhiên. Vì thế, để có thể sử dụng các chất riêng lẻ trong những hỗn hợp này, chúng ta phải tách chúng thành những chất riêng biệt.

Nguyên tắc chủ yếu và cơ bản nhất của việc tách một chất ra hỗn hợp chính là dựa trên sự khác nhau về tính chất của chất đó. Sự khác nhau về tính chất này có thể là tính chất vật lý, tính chất hóa học, hay sinh học.

Việc tách chất có thể làm thay đổi cấu trúc hóa học của chất, hoặc không. Trong trường hợp quá trình tách chất có làm thay đổi cấu trúc hóa học, ta phải đảm bảo làm sao cho cấu trúc phân tử không thay đổi khi thu sản phẩm tách. Nói cách khác, ta phải có một quá trình biến đổi sản phẩm tách trở về chất ban đầu. Có thể biểu diễn quá trình tách chất theo sơ đồ sau:

Ở phần này, blog sẽ trình bày về các đặc điểm tính chất của một hỗn hợp, và chỉ viết sơ qua về các phương pháp tách sử dụng tính chất vật lý hay hóa học. Chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn ở những phần khác.

2.1. Tính chất của một hỗn hợp

Chúng ta đã biết, một hỗn hợp luôn gồm ít nhất từ 2 chất trở lên. Vì vậy, tính chất của một hỗn hợp sẽ là sự trộn lẫn, kết hợp của 2 tính chất đó.

Nếu hỗn hợp có thể hợp nhau một cách đồng nhất [ví dụ các dung dịch, các hợp kim, v.v.] thì các tính chất này sẽ được hòa hợp với nhau. Khi đó, việc tách một chất phụ thuộc vào việc thay đổi điều kiện xung quanh để thay đổi sự đồng nhất này.

Nếu hỗn hợp không đồng nhất, thì mỗi tính chất của một chất sẽ thể hiện một cách riêng biệt. Khi đó, chúng ta chỉ cần dựa vào tính chất khác nhau để tách chúng ra khỏi hỗn hợp.

2.2. Tách bằng các phương pháp vật lý

Tính chất vật lý có nhiều loại, ví dụ như: độ tan, độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, v.v. và nhiều tính chất khác. Tại đây, chúng ta sẽ xem qua 2 ví dụ tách chất dựa trên sự khác biệt về độ tan và nhiệt độ chuyển pha [nhiệt độ sôi].

Muối ăn và cát có sự khác biệt rất cơ bản về tính chất vật lý là về độ tan trong nước. Muối ăn rất dễ tan trong nước, và cát thì hầu như không tan trong nước.

Như vậy, khi có một hỗn hợp muối ăn và cát, chúng ta có thể lợi dụng sự khác nhau về độ tan của chúng. Quy trình có thể thực hiện như sau [xem sơ đồ hoặc mô tả dưới đây]:

• Đổ nhiều nước vào hỗn hợp muối ăn và cát. Muối ăn sẽ tan trong nước, cát không tan.
• Lọc phần không tan, sấy khô, ta thu được cát.
• Phần dung dịch tan, đem đun nóng cho sôi để bay hơi nước. Phần còn lại chính lại muối ăn.

Sơ đồ cho phương pháp này có thể biểu diễn như sau:

Nước cất là nước tinh khiết, chỉ bao gồm nước và không có các chất khác. Nước máy phần lớn là nước, nhưng nó có lẫn nhiều thành phần khác, chủ yếu là các chất tan. Nước và các chất tan này có nhiệt độ sôi khác nhau. Vì vậy, người ta lợi dụng tính chất này để thực hiện phương pháp gọi là chưng cất.

Chưng cất nghĩa là đun nóng để chất cần được tách [nước] sôi và bay hơi ra ngoài. Thu lượng hơi đó rồi để ngưng tụ lại thành chất lỏng mà chúng ta cần. Đây là một trong những cách để thu được nước tinh khiết: nước máy được đun đến nhiệt độ sôi, sau đó thu lại hơi nước rồi cho nước đi qua bộ phận làm nguội để nó trở về trạng thái lỏng. Phần các chất tan trong nước sẽ không sôi và vẫn ở trong mẫu ban đầu.

Có thể biểu diễn quá trình này bằng sơ đồ sau:

Hệ thống dụng cụ dùng để chưng cất nước có thể được mô tả như hình dưới đây:

Cần lưu ý rằng blog chỉ đưa ra mô hình chưng cất nước để thỏa mãn sự tò mò của các bạn độc giả. Ở trình độ hiện tại, các bạn khó có thể hiểu hết nguyên lý làm việc của như vai trò của từng dụng cụ trong hệ thống này. Vì vậy, blog sẽ không giải thích ở đây mà sẽ giải thích ở những chủ đề nâng cao hơn.

2.3. Tách các chất bằng phương pháp hóa lý

Tại sao lại không gọi là tách các chất bằng phương pháp hóa học? Vì hầu như không có phương pháp tách chất nào thuần túy về hóa học, mà đều có sự tham gia của các tính chất vật lý.

Có thể kể đến các phương pháp:

• Thay đổi tính chất vật lý bằng các phản ứng hóa học.
• Chiết xuất.
• Sắc ký.
• v.v.

Chiết xuất và sắc ký là hai phương pháp rất phổ biến hiện nay, tuy nhiên nguyên tắc của chúng khá phức tạp. Vì vậy chúng ta sẽ không đề cập ở đây.

Nguyên tắc cơ bản gồm 3 bước chính:

• Thực hiện phản ứng hóa học nhằm thay đổi tính chất vật lý của các chất.
• Tách các chất bằng phương pháp vật lý.
• Thực hiện phản ứng hóa học để đưa cấu trúc chất tách được về cấu trúc chất mong muốn.

Chi tiết và cụ thể hơn về phương pháp này, chúng ta sẽ đề cập rõ hơn ở những phần sau.

3. Tóm tắt

Tóm tắt lại, ở phần này, chúng ta có những nội dung cần nắm như sau:

• Có nhiều phương pháp để xác định tính chất của một chất, trong đó Quan sát và Làm thí nghiệm là hai phương pháp phổ biến nhất.
• Để tách một chất ra khỏi một hỗn hợp, chúng ta dựa vào sự khác biệt về các tính chất giữa các chất trong hỗn hợp.
• Một chất có thể được tách ra khỏi một hỗn hợp bằng phương pháp vật lý hoặc phương pháp hóa học.

Vậy là chúng ta đã khám phá xong về Các phương pháp tách một chất ra khỏi hỗn hợp rồi. Các bạn có thể tiếp tục với phần Sự phân chia về cấu tạo chất hoặc luyện tập với một số bài tập tại đây.