Vì sao dầu và nước không hoà vào nhau, còn xà phòng thì làm được

Dầu và nước không hoà vào nhau vì phân tử nước hút nhau rất mạnh bằng liên kết hiđrô, còn phân tử dầu không tham gia được kiểu liên kết ấy. Chen phân tử dầu vào giữa, nước phải phá bớt liên kết và xếp lại thành "lồng" quanh dầu, một trạng thái gò bó mà nước không ưa. Thế là nước gom về với nước, dầu bị dồn ra thành giọt rồi thành lớp; dầu nhẹ hơn nên nổi lên trên.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Bát phở nóng, nồi nước dùng: lớp mỡ vàng óng nổi trên mặt thành những vòng tròn, khuấy lên thì vỡ thành giọt nhỏ, để yên lại gom thành vòng to. Chai dầu giấm trộn salad lắc đều thì đục, để vài phút là tách hai tầng. Giọt dầu ăn rơi vào chậu rửa bát nằm thành mảng loang óng ánh. Tay dính mỡ rửa nước lã không sạch, phải có xà phòng.

Ngoài thiên nhiên, váng dầu trên mặt mương gần bến xe, bến tàu cũng óng màu cầu vồng: lớp dầu mỏng đến mức ánh sáng phản xạ ở mặt trên và mặt dưới của nó giao thoa với nhau. Và lá sen, lông vịt không thấm nước cũng có một phần lý do giống dầu: bề mặt phủ chất không ưa nước.

Cơ chế: nước thích nước

Phân tử nước có hai cực

Phân tử nước gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hiđrô, xếp thành hình chữ V. Oxy kéo electron về phía mình, nên đầu oxy mang điện âm nhẹ, hai đầu hiđrô mang điện dương nhẹ. Đầu dương của phân tử này hút đầu âm của phân tử kia, tạo liên kết hiđrô. Trong cốc nước, mỗi phân tử liên tục nắm tay vài phân tử hàng xóm, buông ra rồi nắm lại hàng tỉ lần mỗi giây. Đó là lý do nước có sức căng bề mặt lớn và sôi ở nhiệt độ cao hơn hẳn những phân tử cùng cỡ.

Phân tử dầu gần như không mang điện

Dầu ăn, mỡ, xăng là những chuỗi dài nguyên tử cacbon và hiđrô. Cacbon và hiđrô kéo electron gần như ngang nhau, nên chuỗi này hầu như không có đầu dương, đầu âm. Nó không nắm tay được với nước. Giữa các phân tử dầu với nhau chỉ có lực hút yếu.

Vì sao chúng tách nhau

Khi một phân tử dầu lọt vào giữa nước, các phân tử nước quanh nó mất một phía để nắm tay. Chúng phải sắp xếp lại thành một lớp vỏ có trật tự quanh phân tử dầu để giữ được nhiều liên kết hiđrô nhất. Trật tự ấy là cái giá phải trả: tự nhiên thiên về trạng thái lộn xộn tự do hơn. Cách "rẻ" nhất là dồn hết dầu lại một chỗ, để diện tích tiếp xúc giữa dầu và nước nhỏ nhất. Các giọt dầu nhỏ gặp nhau thì nhập làm một, giọt to nhập thành lớp. Các nhà hoá học gọi đây là hiệu ứng kỵ nước. Câu ngắn gọn học sinh hay nhớ là "các chất giống nhau thì hoà tan vào nhau": chất có cực tan trong chất có cực, chất không cực tan trong chất không cực.

Vì sao dầu nổi

Dầu ăn có khối lượng riêng khoảng 0,91–0,93 gam trên mililit, nhẹ hơn nước (khoảng 1 gam trên mililit). Khi đã tách lớp, dầu nằm trên. Mỡ động vật đông lại khi nguội vẫn nổi trên nước dùng, nên người nấu phở hớt được lớp mỡ đông trên mặt nồi sau khi để nguội.

Bảng so sánh

Hàng "hoà tan tốt" giải thích chuyện bếp núc: ớt phi trong dầu cho dầu đỏ, nghệ chiên dầu lên màu đẹp hơn luộc nước, vì nhiều chất màu và chất thơm tan trong dầu hơn trong nước.

Làm cho dầu và nước "hoà" được: nhũ tương

Chất nhũ hoá: phân tử hai đầu

Có những phân tử một đầu ưa nước, một đầu ưa dầu: xà phòng, nước rửa bát, lecithin trong lòng đỏ trứng, một số protein trong sữa. Chúng chui vào ranh giới giữa dầu và nước, đầu ưa dầu cắm vào giọt dầu, đầu ưa nước quay ra ngoài. Mỗi giọt dầu được bọc một lớp áo, không nhập lại với giọt khác được. Hỗn hợp giọt dầu li ti lơ lửng trong nước như thế gọi là nhũ tương. Nó trông đục vì vô số giọt nhỏ làm tán xạ ánh sáng.

Nhũ tương trong bếp

• Sữa tươi: giọt chất béo bọc protein lơ lửng trong nước. Sữa để lâu nổi váng kem vì giọt béo nhẹ hơn nổi lên dần.
• Nước cốt dừa: nhũ tương tự nhiên; để tủ lạnh hay tách lớp béo đặc trên mặt.
• Sốt mayonnaise: dầu đánh từ từ vào lòng đỏ trứng; lecithin giữ hàng tỉ giọt dầu tách rời. Đổ dầu quá nhanh là sốt "vỡ", tách dầu.
• Nước rửa bát: bọc giọt mỡ trên đĩa, để nước cuốn đi.

Ouzo: đục mà không cần lắc

Một số rượu hồi như ouzo của Hy Lạp, pastis của Pháp trong suốt khi rót ra, nhưng thêm nước vào thì đục trắng như sữa. Tinh dầu hồi tan được trong cồn nhưng không tan trong nước; khi pha loãng, nó tự tách thành giọt cực nhỏ, lơ lửng khá bền mà không cần chất nhũ hoá. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng ouzo.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Dầu không tan vì nhẹ hơn nước." Nặng nhẹ chỉ quyết định lớp nào nằm trên. Có những chất nặng hơn nước mà cũng không tan, chìm thành lớp dưới. Không tan là do bản chất phân tử.
• "Dầu và nước đẩy nhau." Thật ra giữa dầu và nước vẫn có lực hút yếu. Chúng tách vì nước hút nước mạnh hơn nhiều, không phải vì dầu và nước đẩy nhau.
• "Lắc mạnh là hoà được." Lắc chỉ chia dầu thành giọt nhỏ tạm thời. Không có chất nhũ hoá, giọt nhỏ lại gom nhau và tách lớp trong vài phút.
• "Đổ nước vào chảo dầu cháy để dập." Rất nguy hiểm. Nước chìm xuống dưới lớp dầu nóng, sôi bùng thành hơi, hất dầu cháy tung ra. Dầu cháy phải tắt bếp và đậy kín bằng vung hoặc khăn ướt vắt kiệt.

Tự quan sát / tự thử an toàn

1. Chai hai tầng. Đổ nước vào chai nhựa trong đến một phần ba, thêm một phần ba dầu ăn, đậy chặt. Lắc mạnh mười giây, đặt xuống, bấm giờ tới khi hai lớp tách rõ.
2. Giọt màu đi tìm nước. Nhỏ vài giọt màu thực phẩm vào lớp dầu trong cốc. Giọt màu (tan trong nước) lơ lửng thành viên tròn trong dầu, chìm dần, chạm lớp nước thì loang ngay.
3. Thêm nước rửa bát. Cho một giọt nước rửa bát vào chai ở bước 1, lắc lại. So thời gian tách lớp với lần đầu: hỗn hợp đục lâu hơn hẳn.
4. Đèn dung nham tự làm. Cốc cao đựng nước một phần tư, dầu ăn gần đầy, vài giọt màu thực phẩm, rồi thả một viên sủi vitamin C. Bọt khí kéo giọt nước màu lên xuyên lớp dầu rồi thả rơi xuống. Không đậy nắp cốc khi viên sủi đang tan.
5. Quan sát bát canh. Thổi nhẹ lên mặt bát canh có mỡ: những vòng mỡ tách ra rồi gom lại. Để nguội trong tủ lạnh, quan sát lớp mỡ đông.

Làm với dầu nguội. Không đun nóng dầu cho thí nghiệm, và không bao giờ nhỏ nước vào dầu đang nóng.