Trộn hai chất lỏng: vì sao 50 ml cộng 50 ml không ra 100 ml

Trộn 50 ml cồn với 50 ml nước, kết quả không ra 100 ml mà hụt đi vài phần trăm, các buổi thực hành ở trường thường đo được quanh 96–97 ml. Không có giọt nào mất đi: khối lượng vẫn đủ, chỉ là các phân tử nhỏ chen vào khe giữa các phân tử kia và hai chất hút nhau chặt hơn. Với nước và dầu, hay hai mẻ nước cùng loại, thể tích cộng lại gần như đúng.

Vì sao 50 ml cộng 50 ml không ra 100 ml?

Thể tích của một chất lỏng không chỉ gồm "thể tích của các phân tử", mà còn gồm cả các khoảng trống giữa chúng, tuỳ cách chúng xếp cạnh nhau. Phân tử nước nhỏ và kết với nhau bằng liên kết hydro thành một mạng khá thoáng. Phân tử cồn (ethanol) lớn hơn, có một đầu cũng tạo được liên kết hydro.

Khi trộn lẫn, hai loại phân tử không chỉ đứng cạnh nhau như cũ. Phân tử nước chen vào khe giữa các phân tử cồn, và đầu ưa nước của cồn kết với nước, kéo các phân tử lại gần nhau hơn. Kết quả là cùng một lượng chất nhưng xếp gọn hơn, chiếm ít chỗ hơn.

Một hình ảnh dễ nhớ: đổ một lít đậu xanh vào một lít gạo trong chậu, trộn đều, sẽ không được hai lít, vì hạt nhỏ lọt vào khe hạt to. Phân tử không phải hạt đậu, nhưng ý tưởng "nhỏ chen vào khe lớn" thì giống. Phần còn lại của câu chuyện là lực hút giữa hai loại phân tử, thứ mà hình ảnh đậu gạo không có.

Hụt bao nhiêu, khi nào hụt nhiều nhất?

Với hỗn hợp cồn – nước, độ hụt thể tích không cố định mà thay đổi theo tỷ lệ trộn. Ở khoảng giữa (hai thứ xấp xỉ bằng nhau), độ hụt rõ nhất, cỡ vài phần trăm. Khi một thứ chiếm phần rất lớn, thứ kia rất ít, độ hụt nhỏ đi. Các bảng tra trong ngành rượu cồn ghi chi tiết độ hụt này để tính toán pha chế.

Khi trộn, hỗn hợp cồn – nước còn ấm lên một chút, vì quá trình các phân tử kết lại toả ra nhiệt. Đo thể tích ngay lúc vừa trộn sẽ ra số hơi khác so với khi để nguội về nhiệt độ phòng.

Hoà đường vào nước: chỗ đường đi đâu?

Đây là thí nghiệm dễ làm nhất trong bếp. Rót nước vào cốc có vạch tới 200 ml. Đong riêng một cốc đường cát khoảng 100 ml. Đổ đường vào nước, khuấy tới khi tan hết. Mực nước trong cốc sẽ dâng lên, nhưng không tới 300 ml; thường chỉ lên khoảng hơn 250 ml một chút, tuỳ loại đường và độ chặt khi đong.

Phần "hụt" lớn này có hai nguồn, cần tách bạch:

• Khoảng rỗng giữa các hạt đường: 100 ml đường cát đong trong cốc thực ra chứa nhiều không khí giữa các hạt. Khi tan, không khí thoát đi, phần này không phải là "co ngót" gì cả, chỉ là đống hạt vốn không đặc.
• Đường tan len vào nước: phân tử đường khi đã tan chiếm ít chỗ hơn một chút so với khi ở trong tinh thể, nhưng phần chênh này nhỏ hơn nhiều so với phần khe hở.

Muốn thấy "co ngót thật" như cồn – nước thì phải trộn hai chất lỏng với nhau, không phải bột với lỏng. Khi so bột với lỏng, khe hở giữa các hạt bột chiếm phần lớn sự chênh lệch.

Vì sao độ cồn được đo theo thể tích ở một nhiệt độ cố định?

Nồng độ cồn trên nhãn đồ uống, hay trên chai cồn sát khuẩn, thường ghi theo phần trăm thể tích: trong 100 ml dung dịch có bao nhiêu ml cồn nguyên chất. Vì thể tích thay đổi theo nhiệt độ, và vì trộn cồn với nước thì thể tích không cộng thẳng, các quy chuẩn đo lường quy định đo ở một nhiệt độ chuẩn, thường là 20 °C.

Hệ quả thực tế: không thể chỉ lấy tỷ lệ cộng trừ thẳng để tính chính xác khi pha cồn nồng độ cao xuống nồng độ thấp. Với việc trong nhà, sai lệch này nhỏ và thường không quan trọng. Với sản xuất, kiểm nghiệm thì người ta dùng bảng tra và dụng cụ đo chuyên dùng. Cồn là chất dễ cháy: mọi việc đong, rót cồn để xa lửa, xa bếp, do người lớn làm, cất xa tầm tay trẻ.

Khi nào hiện tượng này đáng để ý trong đời sống?

• Đong để pha chế theo thể tích: nếu công thức ghi "tổng 1 lít", đừng tính rằng cứ cộng thể tích thành phần là đủ. Hãy đổ vào bình định mức hoặc cốc đong rồi thêm nước tới vạch cuối.
• Chọn bình chứa: pha siro, pha nước muối ngâm, cứ chọn bình theo tổng thể tích nước và lượng bột đong; kết quả thường nhỏ hơn, bình sẽ không tràn.
• Đọc kết quả thí nghiệm ở trường: khi đo thấy "mất" vài ml lúc trộn hai chất lỏng, đó có thể là hiện tượng thật chứ không chỉ là sai số đọc vạch.
• Không đáng để ý: pha nước chấm, pha nước uống, pha nước lau nhà. Độ chênh nhỏ hơn rất nhiều so với độ lệch khi đong bằng thìa, bằng chén.

Thí nghiệm an toàn để thấy tận mắt

Nếu muốn cho học sinh thấy "cộng không ra tổng" mà không dùng cồn, có thể làm phiên bản hạt:

1. Đong 200 ml đậu xanh khô vào một cốc có vạch, 200 ml gạo vào cốc khác.
2. Đổ cả hai vào một hộp kín, đậy nắp, lắc kỹ cho trộn đều.
3. Đổ hỗn hợp lại vào cốc có vạch. Kết quả sẽ ít hơn 400 ml rõ rệt.

Đây là mô hình, giúp hình dung "chen vào khe". Phiên bản thật với cồn và nước chỉ nên làm trong phòng thí nghiệm của trường với giáo viên hướng dẫn, dùng ống đong có vạch chia nhỏ, xa nguồn lửa, không nếm, không ngửi sát.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Thể tích hụt là chất bị mất": sai. Cân trước và sau sẽ thấy khối lượng không đổi (trừ phần bay hơi rất nhỏ nếu để lâu).
• "Mọi hỗn hợp đều hụt": sai. Có những cặp chất lỏng khi trộn còn nở ra một chút. Hiện tượng phụ thuộc vào từng cặp chất.
• "Dầu với nước hụt vì dầu nổi": sai. Dầu và nước không hoà vào nhau nên thể tích gần như cộng đúng; chuyện nổi chìm là chuyện nặng nhẹ, không phải chuyện thể tích hụt.