Giấy quỳ và dung dịch muối NaCl

Giấy quỳ là gì?

Về cơ bản, giấy quỳ (hay giấy quỳ tím) là một loại chất chỉ thị độ pH (pH indicator). Đối với học sinh phổ thông, chắc ít nhiều đều biết đến pH, nhưng ở đây tôi vẫn nhắc lại ở đây để tất cả mọi người cùng nắm rõ.
Theo định nghĩa của website từ điển bách khoa toàn thư trực tuyến Britannica (Encyclopedia Britannica), pH là phương pháp định lượng nhằm xác định tính acid hoặc base của một dung dịch. pH được tính toán dựa trên nồng độ hydro (hydrogen concentration) tồn tại trong dung dịch. Dung dịch nước cất (không chứa chất tan hay bất cứ tạp chất nào khác) ở nhiệt độ 25oC sẽ được xem là trung tính (neutral) và có giá trị pH bằng 7. Dung dịch có pH nhỏ hơn 7 sẽ được xem là có tính acid (acidic) và nếu pH lớn hơn 7 sẽ được xem là có tính kiềm (basic).
pH là một thông số quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học. Các tế bào trong cơ thể sinh vật sống đều có một khoảng pH (pH scale) nhất định, chỉ cần sự thay đổi dù nhỏ giá trị pH của môi trường đều có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự sống của chúng. Trong nông nghiệp, pH cũng là thông số cần được chú ý trong canh tác đất trồng. Nếu đất mang tính acid (còn gọi là  đất chua, đất nhiễm phèn) sẽ làm ảnh hưởng đến khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây trồng, dẫn đến không có giá trị canh tác. Do vậy, trong thực tế, người ta thường phải bón vôi (nguồn cung cấp bazơ) để trung hòa các ion hydro, ion alum (nhôm) trong đất, làm giảm tính acid và tăng pH cho đất.

Thang đo pH (pH Scale) với pH = 7: trung tính, pH > 7: tính kiềm, pH < 7: tính acid

Những chất dùng để xác định độ pH của dung dịch được gọi là chất chỉ thị pH (pH indicator). Chất chỉ thị pH giúp xác định tính chất acid/base của dung dịch thông qua sự thay đổi màu sắc, hoặc nếu chính xác hơn sẽ hiển thị giá trị độ pH tại thời điểm đo của dung dịch (máy đo pH – pH meter). Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà người ta sẽ dùng từng loại chất chỉ thị pH cụ thể. Vài chất chỉ thị pH dựa vào sự thay đổi màu sắc (xác định pH một cách tương đối) như: giấy quỳ tím, methyl da cam (methyl orange), thymol xanh (thymol blue), phenolphtalein… Những chất chỉ thị này thay đổi màu sắc theo những khoảng pH đặc trưng cho từng loại.

Giấy quỳ tím là loại giấy được tẩm hoặc “nhuộm” dung dịch chứa hoạt chất quỳ dùng để nhận biết tính chất acid/base của dung dịch. Hoạt chất quỳ (litmus) vốn là một hỗn hợp tan trong nước, bao gồm các thuốc nhuộm tự nhiên (dye), được tinh chế từ các loài địa y (lichen) mà chủ yếu là 2 loại sau: Roccella tinctoria và Lecanora tartarea. Các loại hoạt chất pigment màu trong địa y này vốn rất nhạy với sự thay đổi của môi trường xung quanh, mà đặc biệt là tính acid, nên dễ thay đổi màu sắc theo sự biến đổi của môi trường. Giấy quỳ bình thường có màu vàng nhạt hoặc màu tím (do vậy mới có tên là “giấy quỳ tím”), đổi thành màu hồng hoặc đỏ trong môi trường có tính acid, và hóa màu xanh trong môi trường có tính kiềm.

Nguồn gốc ra đời của giấy quỳ

Tên gọi “quỳ” (litmus) được cho là bắt nguồn từ một tiếng tiếng Bắc Âu cổ có nghĩa là màu sắc hay nhuộm màu. Điều này phù hợp với các cứ liệu lịch sử cho thấy từ hàng trăm năm về trước, người ta bắt đầu sử dụng quỳ tinh chế từ các loài địa y để nhuộm vải vóc, quần áo… Theo nhiều nguồn tham khảo, người ta cho rằng quỳ được tẩm vào giấy để làm chất chỉ thị pH đầu tiên là nhà hóa học người Pháp lừng danh Gay-Lussac vào khoảng thế kỷ 19. Nhưng điều này chưa có chứng cứ rõ ràng và chính xác.

Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

Cơ chế đổi màu theo pH của quỳ

Những loài địa y (lichen) có chứa loại phẩm nhuộm sinh học (mà chủ yếu là erythrolitmin và azolitmin) có những nhóm chức cấu trúc được gọi là thể màu (chromophore). Những thể màu này chứa nhiều hợp chất vòng với các liên kết đôi C-C và C-O. Sự kết hợp của những liên kết đôi và hợp chất vòng không no giúp tạo nên mạng liên kết, thuận lợi cho sự chuyển vị của các eletron.
Khi ánh sáng khả kiến (visible light) gặp phân tử phẩm nhuộm, mạng liên kết của các electron sẽ hấp thu những dải màu nhất định tùy thuộc vào cấu trúc của mạng electron. Một số màu của ánh sáng không bị hấp thu sẽ phản xạ lại mắt người quan sát, tạo nên màu sắc đặc trưng cho phẩm màu. Ví dự như màu tự nhiên của quỳ là màu xanh tím, có nghĩa là phân tử quỳ hấp thu mọi bước sóng ánh sáng, ngoại từ bước sóng màu xanh tím.

Khi ion hydro trong dung dịch có tính acid tiếp xúc với quỳ, chúng sẽ tấn công và phá vỡ các liên kết bội giữa C-C và C-O, biến chúng thành những liên kết đơn. Cứ mỗi liên kết đôi bị bẻ gãy, mạng liên kết các electron cũng giảm kích thước theo. Điều này làm giảm đi những quãng bước sóng mà phân tử quỳ có thể hấp thu, từ đó, làm thay đổi màu sắc của quỳ. 

Ưu và nhược điểm của giấy quỳ so với các chất chỉ thị pH khác

Ưu điểm của giấy quỳ chính là sự tiện dụng của nó. Chỉ cần một mẩu giấy quỳ nhỏ, người ta có thể biết dung dịch mình đang sử dụng có tính acid hay base một cách nhanh chóng (chỉ mất vài phần trăm giây), và độ mạnh yếu của tính acid/base (một cách tương đối) dựa vào sự thay đổi đậm nhạt của màu sắc. Ngoài ra, giấy quỳ ẩm (giấy quỳ cho thấm ướt bởi nước cất) còn có thể được ứng dụng để kiểm tra tính acid/base của các loại khí (như H2S, SO3…). Một ưu điểm rõ ràng khác của giấy quỳ nữa là giá thành rẻ của nó so với các chỉ thị pH khác.
Tuy nhiên, giấy quỳ không thể cho biết chính xác độ mạnh yếu acid/base cũng như độ pH của dung dịch cần đo. Thay vào đó, người ta sử dụng các loại chỉ thị pH cao cấp hơn như máy đo pH. Các loại máy đo pH hiện này ngoài chức năng cho biết chính xác độ pH của dung dịch, mà còn cho biết nhiệt độ, độ dẫn điện (conductivity)… của dung dịch cần đo.

Giấy quỳ sản xuất như thế nào?

Thật ra, giấy quỳ được làm ra hết sức đơn giản. Cũng có các công đoạn như công nghệ sản xuất các loại giấy khác, để sản xuất giấy quỳ cũng cần nguồn nguyên liệu là gỗ, rồi trải qua các khâu nghiền, phối trộn bột giấy, qua máy xeo, cán mỏng, sấy… Điểm khác biệt nho nhỏ là người ta sẽ cho thêm hoạt chất quỳ vào bột giấy (ở công đoạn nhất định, tùy vào công nghệ mà họ sử dụng), sau khi sấy khô sẽ có giấy quỳ như thành phẩm.

Các loại giấy quỳ trong thực tế

Ngoài quỳ tím, có loài nào cũng có tính chất tương tự như vậy không?

Câu trả lời là: Có. Trong thiên nhiên, ngoài các loài địa y kể tên ở trên, có những loài thực vật khác cũng có tính chất thay đổi màu sắc theo tính acid của môi trường. Trong thành phần chúng có chứa các hợp chất thuộc nhómAnthocyanin (từ gốc Latin có nghĩa là: màu xanh). Chúng chuyển sang màu đỏ trong môi trường acid và hóa xanh trong môi trường base giống như quỳ tím. Những hợp chất Anthocyanin thường hiện diện trong: lá của bắp cải tím (red cabbage), rau lang (sweet potato leaves); cánh hoa của hoa phong lữ (geranium), cây anh túc (poppy); quả của cây việt quất (blueberry); phần thân rễ của cây đại hoàng (Rhubarb). Ngoài ra, hoa cẩm tú cầu (Hydrangea) cũng có tính chất thay đổi màu sắc theo độ pH của đất trồng: nếu đất có tính chua (acid), hoa cẩm tú cầu sẽ có màu hồng, còn nếu đất có tính mặn (kiềm, alkaline), hoa sẽ có màu xanh dương.

Hoa cẩm tú cầu trồng ở đất có tính kiềm (alkaline)

Nếu muốn làm một tờ giấy quỳ tại nhà, chúng ta làm như thế nào?

1. Xắt nhỏ bắp cải tím (red cabbage).
2. Xay nhuyễn bằng máy xay sinh tố hoặc giã nhỏ.
3. Thêm một ít nước. Gạn lấy phần nước xanh sau khi giã nhuyễn.
4. Ngâm một tờ giấy thấm (loại dày) trong dung dịch màu xanh thu được ở trên.
5. Phơi khô tờ giấy thấm.
6. Cuối cùng, cắt tờ giấy thấm thành những mẩu nhỏ để dễ dàng sử dụng.

Vậy là chúng ta đã có trong tay tờ “giấy quỳ” tự làm, có tính chất đổi màu như những tờ giấy quỳ bình thường khác. Nào bây giờ, bạn thử nhúng tờ “giấy quỳ” bạn vừa làm ra vào nước chanh hoặc giấm ăn, bạn thấy gì nào? “Giấy quỳ” sẽ hóa màu hồng (hoặc đỏ) phải không? Đó là do chanh hoặc giấm vốn là những acid yếu, có thể hóa hồng giấy quỳ. Nước luộc rau lang cũng có tính chất tương tự, khi bạn vắt chanh vào phần nước luộc, lập tức nồi nước luộc sẽ hóa hồng nhạt. Bây giờ bạn có thể tự tin “khoe” kiến thức với đứa em ở nhà về một hiện tượng khoa học lý thú rồi nhé. :)