Hiện tượng vật lý và hiện tượng hoá học: cách phân biệt qua cảnh trong nhà

Hiện tượng vật lý là khi chất chỉ đổi trạng thái, hình dạng, kích thước mà vẫn là chất cũ — nước đá tan vẫn là nước. Hiện tượng hoá học là khi có chất mới sinh ra, mang tính chất khác hẳn — giấy cháy thành tro và khí, không thể ghép lại thành giấy. Câu hỏi để phân biệt luôn là: sau khi đổi, chất ấy còn là chính nó không?

Vì sao cần phân biệt, và vì sao hay nhầm

Phân biệt hai loại biến đổi là bài học đầu tiên của môn Hoá, có trong chương trình Khoa học tự nhiên cấp trung học cơ sở. Nghe đơn giản, nhưng bài kiểm tra nào cũng có học sinh nhầm. Lý do: các dấu hiệu ta hay dùng để đoán — sủi bọt, đổi màu, nóng lên — có thể xuất hiện ở cả hai loại. Nước sôi sủi bọt mà chỉ là vật lý; giấm gặp vỏ trứng cũng sủi bọt nhưng là hoá học.

Cách tốt nhất là tập nhìn những cảnh quen trong nhà và tự hỏi: chất nào có trước, chất nào có sau, chúng có còn là một không?

Hai câu hỏi then chốt

1. Có chất mới không?

Đây là tiêu chí gốc. Ở mức phân tử, biến đổi vật lý chỉ làm các phân tử xích lại gần hay rời xa nhau, xếp lại chỗ, còn bản thân phân tử giữ nguyên. Nước đá, nước lỏng, hơi nước đều là những phân tử H₂O như nhau. Biến đổi hoá học thì phá vỡ liên kết trong phân tử và tạo liên kết mới: các nguyên tử được "xếp lại" thành phân tử khác. Than cháy là cacbon và ôxi xếp lại thành CO₂.

2. Có quay ngược lại dễ dàng không?

Phần lớn biến đổi vật lý quay lại được bằng cách đơn giản: làm lạnh nước thì lại thành đá, cô cạn nước muối lại thu được muối. Phần lớn biến đổi hoá học thì không: trứng đã luộc chín không thể làm "sống" lại. Nhưng đây chỉ là gợi ý, không phải luật. Một tờ giấy bị xé là biến đổi vật lý mà không ghép lại nguyên vẹn được; còn có phản ứng hoá học quay ngược được trong điều kiện thích hợp.

Các dấu hiệu gợi ý — và cái bẫy của từng dấu hiệu

Vì vậy các nhà hoá học không kết luận chỉ bằng mắt. Khi còn nghi, họ kiểm tra tính chất của chất thu được: nhiệt độ nóng chảy, khả năng hoà tan, phản ứng với chất khác. Ở nhà, ta dùng các cảnh quen và lập luận "chất có còn là nó không".

Đi một vòng trong nhà

Trong bếp

• Đường tan trong nước — vật lý. Đường chỉ phân tán vào nước; cô cạn lại thu được đường.
• Đường thắng thành nước màu (caramel) — hoá học. Phân tử đường bị nhiệt phá vỡ, tạo hàng trăm chất mới có màu nâu, vị đắng thơm. Chuyện bếp núc sâu hơn thuộc về khoa học nấu ăn; ở đây chỉ cần thấy hai cách đối xử với cùng một thìa đường cho hai loại biến đổi khác nhau.
• Mỡ đông trắng trong tủ lạnh, đun lại thì chảy — vật lý.
• Táo, chuối cắt ra để lâu bị thâm — hoá học. Enzim trong trái cây xúc tác cho phản ứng với ôxi, tạo sắc tố nâu.
• Sữa để ngoài lâu bị chua và vón — hoá học. Vi khuẩn biến đường sữa thành axit, axit làm đạm sữa đông lại.

Quanh nhà

• Quần áo phơi khô — vật lý: nước bay hơi.
• Kính nứt, bát vỡ — vật lý: chất vẫn là thuỷ tinh, sứ.
• Cổng sắt gỉ — hoá học (xem bài riêng về gỉ sắt).
• Quần áo màu bạc dần ngoài nắng — hoá học: tia tử ngoại phá vỡ phân tử thuốc nhuộm.
• Băng phiến trong tủ nhỏ dần — vật lý: thăng hoa, chất rắn bay hơi thẳng thành khí.

Những ca "lai": vừa vật lý vừa hoá học

Ngoài đời, hai loại biến đổi hay đi cùng nhau. Đó là chỗ thú vị nhất.

• Ngọn nến: sáp chảy và bay hơi là vật lý; hơi sáp cháy thành CO₂ và nước là hoá học. Nếu chỉ thấy sáp chảy mà kết luận "nến là biến đổi vật lý" là thiếu một nửa.
• Tôi vôi: phản ứng vôi sống với nước là hoá học, còn nước sôi bốc hơi do nhiệt ấy là vật lý.
• Nước ngọt có ga: khí thoát ra là vật lý, nhưng một phần CO₂ phản ứng thuận nghịch với nước thành axit cacbonic.
• Hoà tan muối ăn: sách phổ thông xếp là vật lý vì cô cạn lại được muối. Ở mức sâu hơn, muối tách thành các ion được nước bao quanh — có người coi đây là ca ranh giới. Đó cũng là lý do định nghĩa luôn kèm chữ "chất mới với tính chất khác hẳn".

Hiểu lầm thường gặp

• "Có bọt khí là phản ứng hoá học." Nước sôi và nước ngọt mở nắp đều sủi bọt mà là vật lý.
• "Không quay lại được thì là hoá học." Giấy xé vụn, thuỷ tinh vỡ không quay lại được nhưng vẫn là vật lý.
• "Đổi trạng thái là hoá học vì nhìn khác hẳn." Nước đá, nước, hơi nước khác hẳn nhau về dáng vẻ nhưng cùng là một chất.
• "Biến đổi hoá học thì luôn nhanh và dữ dội." Gỉ sắt, giấy ngả vàng, sữa chua hoá đều là phản ứng hoá học chậm, có khi kéo dài nhiều năm.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Năm thí nghiệm dùng đồ trong bếp, không lửa trần (trừ khi có người lớn), không hoá chất mạnh. Kẻ một bảng hai cột "vật lý / hoá học", ghi dự đoán trước rồi mới làm.

1. Muối tan rồi về. Hoà một thìa muối vào chút nước, đổ ra đĩa, để nắng hai ngày. Muối kết tinh trở lại — biến đổi vật lý.
2. Giấm và baking soda. Cho nửa thìa baking soda (muối nở) vào cốc, rót giấm từ từ: sủi bọt mạnh. Rót thêm cho đến khi giấm mới vào không còn làm sủi nữa, đổ vài thìa dung dịch ra đĩa phơi khô: còn lại lớp tinh thể trắng. Nhỏ giấm lên lớp tinh thể ấy — nó không sủi nữa, trong khi baking soda ban đầu sủi mạnh. Chất trên đĩa là chất mới.
3. Táo hai nửa. Cắt đôi quả táo, quét nước cốt chanh lên một nửa. Sau một giờ, nửa không quét thâm hơn. Axit và vitamin C trong chanh làm chậm phản ứng hoá học.
4. Hơi thở làm đục nước vôi? Thí nghiệm này hay có trong sách nhưng cần nước vôi trong, là dung dịch kiềm — chỉ làm ở phòng thí nghiệm trường có kính bảo hộ. Ở nhà, thay bằng việc quan sát chiếc gương phòng tắm mờ hơi nước rồi khô lại — biến đổi vật lý.
5. Băng phiến hay nước đá? Đặt một viên nước đá trên đĩa: tan thành nước. Nhớ lại viên băng phiến trong tủ: nhỏ dần mà không để lại nước. Cả hai đều là vật lý, chỉ khác đường đi: nóng chảy và thăng hoa.

Không trộn các chất tẩy rửa với nhau để "xem có phản ứng không" — nước tẩy javel trộn với chất tẩy có axit hoặc amoniac sinh ra khí độc.