Hạt muối có hình khối vuông vì muối ăn là halit, một tinh thể ion trong đó natri và clo xếp xen kẽ trên mạng lập phương; đường là sucrose, tinh thể phân tử thuộc hệ đơn tà, nên mọc thành lăng trụ xiên, và khi kết tinh chậm từ siro đặc sẽ thành khối đường phèn. Hai thứ trắng trên bàn bếp trông giống nhau nhưng thuộc hai "thế giới" tinh thể khác hẳn: một bên giữ bằng lực hút giữa ion, bên kia bằng liên kết hiđro giữa các phân tử. Khác biệt ấy giải thích từ cách làm muối, cách làm đường phèn đến chuyện kẹo cứng trong suốt.
Soi dưới kính lúp: hai hình dạng quen mà lạ
Rắc vài hạt muối hột và vài hạt đường cát lên tờ giấy đen, soi bằng kính lúp 10 lần. Muối hiện ra những khối gần như lập phương, mặt phẳng, cạnh vuông, nhiều hạt bị vỡ góc. Đường là những hạt dài hơn, các mặt nghiêng xiên, đầu hạt vát, trông giống lăng trụ bị "xô lệch". Muối tinh xay mịn thì hầu như chỉ thấy mảnh vỡ; muối hột phơi ruộng hay muối mỏ thô cho hình khối rõ nhất.
| Muối ăn (halit, NaCl) | Đường (sucrose, C₁₂H₂₂O₁₁) | |
|---|---|---|
| Loại tinh thể | Tinh thể ion | Tinh thể phân tử |
| Hệ tinh thể | Lập phương | Đơn tà |
| Hình dạng hay gặp | Khối lập phương, phễu rỗng | Lăng trụ xiên, khối đường phèn |
| Giữ mạng bằng | Lực hút tĩnh điện giữa Na⁺ và Cl⁻ | Liên kết hiđro giữa các phân tử sucrose |
| Khi đun nóng | Nóng chảy ở 801 °C | Bắt đầu chảy và phân huỷ, hoá caramel quanh 186 °C |
| Độ tan trong 100 mL nước | Khoảng 36 g, gần như không đổi theo nhiệt độ | Khoảng 200 g ở nhiệt độ phòng, tăng mạnh khi nóng |
| Cát khai | Hoàn toàn theo ba mặt vuông góc | Không rõ như muối, vỡ không đều |
Muối: mạng lập phương và mặt cát khai
Muối ăn là tinh thể đầu tiên được giải cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X, năm 1913, và trong đó không có "phân tử NaCl" riêng rẽ nào. Mỗi ion natri được sáu ion clo bao quanh, mỗi ion clo được sáu ion natri bao quanh, lặp lại theo ba chiều vuông góc. Mạng lập phương ấy lộ ra ở hình dạng ngoài: khối vuông.
Halit cũng là một khoáng vật thật, thành phần chính của các tầng muối mỏ hình thành khi biển cổ hoặc hồ mặn bốc hơi cạn. Nó có cát khai hoàn toàn theo ba hướng vuông góc: lấy mũi dao gõ nhẹ vào một khối muối mỏ thô, nó tách ra thành những khối vuông nhỏ hơn, mặt phẳng như được cắt. Đó là phép thử cát khai trong khoáng vật học, làm ngay được trong bếp. Halit mềm, độ cứng chỉ khoảng 2,5 trên thang Mohs. Sách khoáng vật cũ từng ghi vị mặn như một dấu hiệu nhận biết halit, nhưng ngày nay không ai khuyến khích nếm một khoáng vật lạ, vì không ít loại có độc.
Muối phễu: khi cạnh lớn nhanh hơn mặt
Trên mặt nước muối đang bốc hơi ở ruộng muối hay trong nồi nấu muối, đôi khi nổi lên những tinh thể hình phễu ngược, rỗng ở giữa, các bậc vuông xếp chồng như kim tự tháp lộn đầu. Lý do: khi dung dịch bốc hơi nhanh, các cạnh và đỉnh của khối vuông nhô ra xa hơn vào dung dịch, "tiếp cận" được nhiều muối hơn, nên lớn nhanh hơn phần giữa mặt. Tinh thể vẫn mang mạng lập phương nhưng hình dáng thành phễu. Bismut kim loại kết tinh cũng cho hình phễu tương tự.
Một thí nghiệm kinh điển cho thấy hình dạng ngoài không chỉ do mạng quyết định: thêm một ít urê vào dung dịch muối ăn, tinh thể muối mọc ra hình bát diện thay vì lập phương. Urê bám ưu tiên lên một họ mặt tinh thể, làm mặt đó chậm lớn và trở thành mặt chính. Giới khoáng vật học gọi hình dạng ngoài là "thói quen" (habit) của tinh thể, để phân biệt với cấu trúc mạng bên trong.
Đường: phân tử lớn, mạng thấp đối xứng
Phân tử sucrose gồm một vòng glucose nối với một vòng fructose, khá lớn và không đối xứng. Hàng nghìn tỷ phân tử như vậy xếp lại bằng liên kết hiđro giữa các nhóm OH, thành mạng đơn tà, hệ có đối xứng thấp. Hình dạng hạt đường vì thế lệch, không vuông vức như muối.
Đường có một tính chất lạ ít người biết: phát quang khi bị nghiền vỡ. Trong phòng thật tối, để mắt quen bóng tối vài phút, rồi lấy kìm bóp vỡ một cục đường phèn hay đường viên: có thể thấy những chớp sáng xanh mờ. Hiện tượng gọi là phát quang do ma sát; khi tinh thể nứt, điện tích tách ra hai bên mặt vỡ, phóng điện qua không khí và làm khí nitơ phát sáng. Thạch anh cọ mạnh vào nhau cũng phát sáng theo kiểu gần giống.
Vì sao muối làm bằng nắng, đường phèn làm bằng nồi
Dòng cuối trong bảng trên là chìa khoá. Độ tan của muối gần như không đổi theo nhiệt độ: nước sôi chỉ hoà được nhiều muối hơn nước nguội một chút. Muốn muối kết tinh, chỉ có cách làm bay hơi nước. Vì thế muối biển được làm bằng nắng và gió trên ruộng muối, hoặc nấu bốc hơi; ở Việt Nam, những vùng muối quen tên như Sa Huỳnh (Quảng Ngãi), Hòn Khói (Khánh Hoà), Bạc Liêu (nay thuộc tỉnh Cà Mau) đều cần những ngày nắng khô kéo dài.
Đường thì ngược lại: nước nóng hoà được nhiều đường gấp mấy lần nước nguội. Nấu siro đường thật đặc khi nóng, rồi để nguội chậm, siro trở thành quá bão hoà và đường kết tinh ra. Đường phèn truyền thống được làm theo cách này: siro đặc được để yên trong nhiều ngày, đường bám lên que tre, sợi dây hoặc thành nồi, lớn thành những khối trong hoặc vàng nhạt. Đường phèn Quảng Ngãi là đặc sản quen thuộc làm theo kiểu kết tinh chậm như vậy. Nguyên lý giống hệt việc nuôi tinh thể phèn chua: dung dịch quá bão hoà vừa phải, mầm để bám, và thời gian.
Tinh thể, đa tinh thể và kẹo trong suốt
Cùng là đường, người làm bánh kẹo điều khiển cấu trúc tinh thể để ra những món rất khác:
- Đường phèn: tinh thể lớn, mọc chậm.
- Đường cát: tinh thể nhỏ, kết tinh có khuấy trộn trong nhà máy để hạt đều.
- Kem đường, kẹo mềm kiểu fondant, fudge: hàng tỷ tinh thể siêu nhỏ, lưỡi không cảm thấy hạt, nên mịn.
- Kẹo cứng trong suốt: siro nấu tới rất ít nước rồi để nguội nhanh, phân tử đường không kịp xếp mạng, đông cứng thành thuỷ tinh đường, một chất vô định hình. Để lâu trong không khí ẩm, bề mặt kẹo hút ẩm và có thể "lại đường", kết tinh thành lớp đục sần.
- Mật ong đóng đường: mật ong giàu glucose; glucose kết tinh dần thành hạt trắng, nhất là khi trời lạnh. Đó là hiện tượng tự nhiên, không phải dấu hiệu mật hỏng; ngâm lọ vào nước ấm, tinh thể tan trở lại.
Góc nhìn hôm nay: ba quan sát làm trong bếp
- Thử cát khai: lấy một hạt muối hột to, đặt trên thớt, dùng mũi dao ấn nhẹ theo mặt. Hạt tách thành mảnh có mặt phẳng vuông góc. Làm tương tự với cục đường phèn sẽ thấy vết vỡ không theo quy luật.
- Muối phễu tại nhà: hoà muối vào nước ấm tới bão hoà, đổ một lớp mỏng ra đĩa sứ, để nơi nắng gió. Vài ngày sau, soi kính lúp tìm khối vuông và hình phễu. Không dùng đĩa đựng thức ăn cho thí nghiệm có urê.
- Đường phát sáng: thử bóp vỡ đường viên trong phòng tối như trên, đeo kính bảo hộ vì mảnh đường có thể bắn.
Muốn xem halit ở quy mô lớn, mỏ muối Wieliczka ở Ba Lan, một di sản thế giới UNESCO, có cả nhà nguyện tạc trong muối mỏ. Các bảo tàng địa chất thường trưng bày khối halit có cát khai vuông và đôi khi có màu xanh lam hay tím do khuyết tật mạng. Lưu ý: các quảng cáo rằng muối hồng hay muối có màu "tốt cho sức khoẻ hơn" chưa được khoa học xác nhận; màu thường đến từ một lượng nhỏ tạp chất như oxit sắt.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao hạt muối có hình vuông?
Muối ăn là halit, tinh thể ion trong đó ion natri và ion clo xếp xen kẽ trên mạng lập phương, mỗi ion được sáu ion trái dấu bao quanh. Hình dạng khối vuông phản ánh mạng lập phương ấy. Halit còn có cát khai theo ba mặt vuông góc nên khi vỡ cũng tách thành khối vuông.
Tinh thể đường có hình gì?
Sucrose kết tinh theo hệ đơn tà, nên hạt đường có dạng lăng trụ với các mặt nghiêng xiên, không vuông như muối. Khi kết tinh chậm từ siro đặc, đường mọc thành những khối lớn là đường phèn.
Vì sao làm muối phải phơi nắng còn đường phèn thì nấu rồi để nguội?
Độ tan của muối gần như không đổi theo nhiệt độ, nên chỉ có cách làm bay hơi nước mới thu được muối. Đường tan nhiều hơn hẳn trong nước nóng, nên nấu siro đặc rồi để nguội chậm là đường kết tinh ra.
Mật ong bị đóng đường có phải mật giả không?
Không nhất thiết. Mật ong giàu glucose, và glucose tự kết tinh dần, nhất là khi trời lạnh. Đóng đường là hiện tượng tự nhiên; ngâm lọ vào nước ấm thì tinh thể tan lại.
Kẹo cứng có phải tinh thể đường không?
Không. Kẹo cứng trong suốt là thuỷ tinh đường: siro nấu cạn rồi nguội nhanh khiến phân tử đường không kịp xếp thành mạng, nên nó là chất vô định hình. Để lâu trong không khí ẩm, kẹo có thể kết tinh lại thành lớp đục.
