Xe máy là một phương tiện di chuyển khá phổ biến ở nước ta và tất nhiên đổ xăng là công việc hết sức bình thường khi xe hết nhiên liệu. Điều này không có gì bất thường cả.
Nhưng có bao giờ bạn tự hỏi chúng là gì không? Tại sao chúng ta lại phụ thuộc vào chúng? Một lần nữa hóa học đằng sau cũng góp phần tạo nên những điều thú vị xung quanh chủ đề này.
Vì thế chủ đề hôm nay của chúng ta sẽ là hóa học đằng sau xăng và dầu diesel nhé! Chủ đề này không có gì là mới mẻ cả, bạn có thể tìm kiếm được hàng loạt bài viết liên quan trên internet.
Tuy nhiên trong bài viết này, tôi chỉ giúp bạn hiểu cơ bản về hóa học mà thôi.
Đôi nét về xăng dầu
Đầu tiên chúng ta sẽ tìm hiểu một số thông tin cơ bản chung về xăng dầu trước khi thảo luận về những điểm tốt hơn của các đóng góp của Kettering và Midgley.
Thomas Midgley, người đã đóng góp đáng kể cho một thứ mà nhiều người trong chúng ta sử dụng một cách thường xuyên: đó chính là xăng dầu.
Midgley là trợ lý nghiên cứu của Charles Kettering, và bộ đôi này chịu trách nhiệm bổ sung hợp chất tetraethyl vào xăng, một sự đổi mới sẽ có một di sản lâu dài – mặc dù có lẽ không phải theo cách mà họ có thể đã hình dung ban đầu.
Xăng được lấy từ dầu thô, cũng như dầu diesel. Cả hai không khác nhau một chút nào về thành phần và tính chất.
Chúng thu được từ dầu thô bằng cách chưng cất phân đoạn, trong đó dầu được đun nóng cho đến khi sôi và bốc hơi, sau đó các phần ở các điểm sôi khác nhau được chưng cất.
Xăng được hình thành từ các phân đoạn có điểm sôi từ 35 đến 200 độ C, trong khi các phân đoạn tạo thành dầu diesel có điểm sôi từ 250 đến 300 độ C.
Cả xăng và dầu diesel đều bao gồm hỗn hợp hydrocarbon – hợp chất này chỉ chứa carbon và hydro. Đây là điều không có gì đáng ngạc nhiên đúng không?
Xăng chứa hydrocacbon có chuỗi dài từ năm đến mười hai nguyên tử carbon, trong đó chuỗi xích diesel dài hơn một chút ở mức mười đến mười lăm nguyên tử.
Diesel cũng chứa nhiều năng lượng hơn xăng trên mỗi lít, làm cho nó trở thành nhiên liệu hiệu quả hơn, mặc dù rẻ hơn.
Cách hoạt động của động cơ
Động cơ xăng và diesel cũng hoạt động theo những cách hơi khác nhau. Trong động cơ xăng, động cơ lấy cả nhiên liệu và không khí, sau đó pít-tông nén lại, trước khi động cơ bugi đốt cháy nhiên liệu.
Phản ứng đốt cháy tạo ra năng lượng, và động cơ sau đó trục xuất khí thải do phản ứng này tạo ra.
Còn trong động cơ diesel, chỉ có không khí được đưa vào khi bắt đầu quá trình, và chỉ sau khi không khí này được nén thì nhiên liệu mới được bơm vào.
Động cơ diesel không sử dụng bugi để kích hoạt phản ứng đốt cháy – thay vào đó, nhiên liệu tự động bốc cháy do nhiệt sinh ra do lực nén lớn hơn được sử dụng trong động cơ diesel.
Vấn đề đối vơi động cơ xăng
Trong động cơ xăng, quá trình đốt cháy sớm có thể là một vấn đề. Do nhiên liệu được bơm vào lúc bắt đầu quá trình, nên việc đốt nhiên liệu đôi khi có thể được kích hoạt trong quá trình nén, trước khi bugi đốt cháy nhiên liệu vào một thời điểm chính xác.
Điều này được gọi là đánh lửa trước, và có thể dẫn đến một hiện tượng khác gọi là engine knocking.
Quá trình knocking hay gõ xảy ra khi cực đại của phản ứng đốt cháy không khớp với hành trình của pít-tông động cơ.
Điều này dẫn đến một âm thanh gõ hoặc tiếng “ping”, và có thể gây ra thiệt hại cho động cơ – vì vậy đây là thứ gì đó mà chúng tôi muốn tránh.
Cách xử lý vấn đề
Để ngăn chặn knocking động cơ, các nhà khoa học đã thêm một loạt các hợp chất vào xăng dầu trong những năm qua.
Bạn có thể gặp phải chỉ số octan của nhiên liệu trước đây – đây thực chất là thước đo mức độ nhiên liệu tránh được vấn đề knocking. Nó có liên quan đến hai hợp chất, isooctan và n-heptane.
Isooctan được xếp hạng octan chuẩn hóa là 100, trong khi n-heptane được xếp hạng 0. Xếp hạng càng cao, nhiên liệu càng tốt trong việc ngăn chặn tiếng gõ.
Các số từ 0 đến 100 đề cập đến so sánh với hỗn hợp isooctan và n-heptane; ví dụ, một loại nhiên liệu có chỉ số octan là 95 sẽ có cùng mức gõ ’kháng như một hỗn hợp chứa 95% isooctan và 5% n-heptane.
Lưu ý rằng đây không giống như nhiên liệu thực sự chỉ bao gồm isooctan và n-heptane, vì quy mô chỉ là so sánh giữa nhiên liệu và hỗn hợp này.
Nó cũng có thể đạt được chỉ số octan trên 100, vì có những hợp chất khác thậm chí còn tốt hơn để tránh knocking hơn isooctan. Một ví dụ là benzen, có chỉ số octan là 101.
Vì thế, knocking là một vấn đề mà các nhà sản xuất ô tô đã cố gắng giải quyết trong nhiều thập kỷ. Khi động cơ xe hơi trở nên mạnh mẽ hơn vào những năm 1920, cần phải tìm ra các chất phụ gia xăng dầu có thể làm giảm tiếng gõ.
Lúc này, Kettering và Midgley xuất hiện đã đưa ra một giải pháp hoàn hảo; một hợp chất gọi là chì tetraethyl dường như rất thành công trong việc giảm thiểu tiếng gõ, và nó có thể được cấp bằng sáng chế.
Nó có thể được thêm vào xăng cùng với 1,2-dibromoethane, chất này sẽ phản ứng với chì và ngăn không cho nó lắng đọng trong động cơ.
Những phát hiện muộn màng
Có điều đáng ngạc nhiên là Kettering, Midgley và các đồng nghiệp của họ đã không làm gì bên cạnh nghiên cứu về tác dụng sức khỏe tiềm tàng của chì tetraethyl trước khi bắt đầu.
Ngày nay, điều này là không thể tưởng tượng được, nhưng nó lại đáng chú ý hơn cả bởi vì ảnh hưởng của ngộ độc chì đã được biết đến tương đối vào thời điểm đó, ngay cả khi nó không được đánh giá đầy đủ rằng phơi nhiễm thấp vẫn có thể gây lo ngại.
Một số quốc gia đã cấm sơn trắng có chì vào đầu những năm 1900 do lo ngại về độc tính chì – mặc dù đáng chú ý là Hoa Kỳ đã không làm như vậy cho đến năm 1978.
Kettering và Midgley ít nhất cũng phải nhận thức được mối liên hệ tiêu cực tiềm tàng, bởi vì chất phụ gia của chúng được General Motors bán trên thị trường là “Ethyl”, bởi vì tránh mọi đề cập đến thành phần chính của nó.
Bản thân Midgley đã phải nghỉ việc tại một thời điểm do bị nhiễm độc chì nhẹ, nhưng dường như vẫn hoàn toàn tin tưởng vào sự an toàn của hợp chất.
Người ta chỉ ra rằng có những phản ứng dữ dội ban đầu đối với việc bao gồm chì tetraethyl trong xăng. Công nhân tại nhà máy sản xuất hợp chất bắt đầu trải qua các triệu chứng nghiêm trọng – mệt mỏi, co giật, vô nghĩa, và phải nhập viện.
Một số công nhân đã chết do hậu quả, và đó không phải là lâu trước khi chì tetraethyl được dùng làm thủ phạm. Sau đó, một số thành phố đã cấm bán xăng chứa chì tetraethyl, và việc sản xuất của nó đã bị đình chỉ điều tra.
Bạn có thể nghĩ rằng mọi việc sẽ kết thúc như vậy, nhưng General Motors đã gặp khó khăn trong việc tìm kiếm một hợp chất chống kích nổ hiệu quả như vậy, và đã miễn cưỡng loại bỏ nó sau khi số tiền họ đã đầu tư vào sự phát triển của nó.
Họ tuyên bố rằng không có lựa chọn thay thế phù hợp nào, mặc dù các thư từ được phát hiện sau đó cho thấy Kettering, ít nhất, đã nhận thức đầy đủ về một số chất phụ gia đang được các công ty cạnh tranh khác khám phá.
Các cuộc điều tra cho thấy, từ những thí nghiệm vội vã và hạn chế với kết luận thiếu sót, rằng việc bổ sung tetraethyl chì vào xăng không có khả năng gây hại cho sức khỏe của công chúng, và việc sản xuất và bán có thể được nối lại.
Tuy nhiên, họ đã lưu ý trong các ý kiến tóm tắt rằng kết luận của họ bị chỉ trích và việc sử dụng động cơ tăng trong tương lai vẫn có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe. Họ kết luận bằng cách tuyên bố rằng việc tiếp tục điều tra về các hiệu ứng là cần thiết.
Đáng buồn thay, sự việc này trôi đi khá nhanh. Cho đến giữa những năm 1980, khi người ta nhận ra các vấn đề sức khỏe mà ngay cả mức độ chì thấp trong cơ thể cũng có thể gây ra sự hiểu biết, các quốc gia bắt đầu thực thi lệnh cấm xăng dầu chì.
Việc sử dụng nó đã dần được thu nhỏ lại, với hầu hết các quốc gia hoàn thành giai đoạn này vào năm 2000; tuy nhiên, ở một số quốc gia được chọn, xăng pha chì vẫn được bán và sử dụng.
Rõ ràng tác động của chì phun ra từ các động cơ chạy bằng xăng pha chì nghiêm trọng hơn nhiều so với Midgley và Kettering nghi ngờ – nồng độ chì trong máu tăng thậm chí có liên quan đến tỷ lệ tội phạm bạo lực gia tăng, mặc dù đây là một liên kết vẫn còn được xác nhận không thể chối cãi.
Tương lai…
Ngày nay, xăng không chì vẫn chứa chất chống kích nổ, nhưng một loạt các hợp chất khác nhau không chứa chì được sử dụng.
Ethanol là một trong những hợp chất như vậy, cũng như methyl bậc ba-butyl ether (một hợp chất khác đã thu hút một số tranh cãi), benzen và toluene, trong số những chất khác.
Di sản tetraethyl chì vẫn còn do mức độ chì trong đất gần các con đường vẫn cao hơn nhiều so với những người ở khu vực xa giao thông.
Câu chuyện của Midgley
Trở lại với Midgley, và câu chuyện của ông ấy không kết thúc với chì tetraethyl. Ông cũng tham gia vào việc phát hiện ra Freon, loại khí lạnh được sử dụng rộng rãi mà sau đó được phát hiện là góp phần phá hủy tầng ozone.
Tuy nhiên, ông đã sống để hiểu đầy đủ các tác động môi trường tiêu cực rất lớn của cả hai khám phá này; ông mắc bệnh bại liệt ở tuổi 51, khiến ông bị tàn tật nghiêm trọng và qua đời bốn năm sau đó vào năm 1944 khi ông bị vướng vào một vật cản được thiết kế để cho phép ông được nhấc lên khỏi giường.
Bài viết đến đây là hết rồi. Đúng là phát minh khoa học luôn đi kèm theo những hậu quả không mong muốn, tùy theo cách con người sử dụng chúng vào mục đích gì mà thôi.
Hi vọng bài viết sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về xăng và dầu diesel thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!
Tham khảo Compound Interest, ACEA, Wired và CHM.
