Warum löst sich Salz in Wasser auf, Öl aber nicht?
Mit einem Wort: Chemie.
Nicht sehr aussagekräftig, oder?
Der Grund, warum sich Salz auflöst und Öl nicht,
geht aus den zwei wichtigen Gründen hervor, die alles funktionieren lassen:
Energetik
und Entropie.
Energetik beschäftigt sich primär
mit den Anziehungskräften zwischen Dingen.
Wenn wir uns Öl oder Salz in Wasser anschauen,
betrachten wir die Kräfte zwischen den Teilchen
in einem sehr, sehr, sehr kleinem Umfang,
der Molekularebene.
Um dir eine Vorstellung davon zu geben, in einem Wasserglas
sind mehr Moleküle
als Sterne im Universum bekannt sind.
All diese Moleküle sind ständig in Bewegung;
sie vibrieren, bewegen und drehen sich.
Was fast alle Moleküle davon abhält,
einfach aus dem Glas zu fliegen,
ist die Anziehung zwischen den Molekülen.
Die Stärke dieser Interaktion zwischen Wasser selbst und anderen Substanzen
ist gemeint, wenn wir Energetik sagen.
Stell dir vor, die Wassermoleküle treffen sich ständig zum Tanz
wie bei einem Square Dance.
Dort werden ständig und beliebig Tanzpartner gewechselt.
Einfach gesagt, die Fähigkeit von Substanzen
mit Wasser zu interagieren
ist abhängig davon, wie das Wasser mit sich selbst interagieren kann.
Dies spielt eine wichtige Rolle bei der Erklärung,
warum sich bestimmte Stoffe gut mit Wasser mischen lassen und andere nicht.
Entropie beschreibt im Grunde,
wie Dinge und Energie basierend auf zufälliger Bewegung
arrangiert werden können.
Denk zum Beispiel an die Luft in einem Raum.
Stell dir die verschiedenen möglichen Anordnungen
im Weltall für die Billionen Teilchen vor,
welche die Luft ausmachen.
Einige dieser Anordnungen könnten alle Sauerstoffmoleküle hier
und alle Stickstoffmoleküle dort haben,
räumlich getrennt.
Bei weit mehr möglichen Anordnungen
sind die beiden Moleküle jedoch vermischt.
Entropie begünstigt das Mischen.
Energetik behandelt die Anziehungskräfte.
Wenn es also Anziehungskräfte gibt,
kann sich die Wahrscheinlichkeit einer Anordnung vergrößern,
und zwar, wenn sich die Dinge gegenseitig anziehen.
Es ist also immer eine Balance aus diesen beiden Dingen, die bestimmt, was passiert.
Auf Molekularebene
besteht Wasser aus Wassermolekülen,
gebildet aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.
Bei flüssigem Wasser beschäftigen sich diese Moleküle
mit einem ständigen und zufälligen Square Dance.
Das nennt man Wasserstoffbrückenbindung.
Entropie begünstigt,
dass ständig getanzt wird.
Es gibt immer mehr Möglichkeiten,
diese Wassermoleküle beim Square Dance anzuordnen
als bei einem Line Dance.
Also geht der Square Dance ständig weiter.
Was geschieht also, wenn man Salz in Wasser gibt?
Auf der Molekularebene
besteht Salz aus zwei verschiedenen Ionen,
Chlor- und Natriumionen,
die wie eine Ziegelwand aufgebaut sind.
Zum Tanz kommen sie
als eine große geschlossene Gruppe.
Zuerst sitzen sie nur an der Seite,
schüchtern und unwillig, sich aufzulösen
und als Einzelionen am Tanz teilzunehmen.
Insgeheim wollen diese schüchternen Tänzer
von jemand aufgefordert werden.
Wenn Wasser zufällig mit einem von ihnen zusammenstößt
und sie zum Tanzen von der Gruppe wegzieht,
sind sie dabei.
Sobald sie dann tanzen, wollen sie nicht zurück.
Tatsächlich ermöglicht das Hinzufügen der Salzionen
mehr Tanzpositionen
beim Square Dance,
deshalb tanzt es sehr gern mit Wasser.
Nehmen wir nun Öl.
Ölmoleküle sind irgendwie daran interessiert,
mit Wasser zu tanzen.
Entropie begünstigt ihr Tanzen.
Das Problem ist nur, dass Ölmoleküle
riesige Ballkleider tragen
und viel größer als Wassermoleküle sind.
Wenn ein Ölmolekül hineingezogen wird,
stört dessen Größe den Tanz
und den beliebigen Tausch von Partnern,
den das Wasser betreibt,
ein sehr wichtiger Teil des Tanzes.
Sie sind auch keine guten Tänzer.
Die Wassermoleküle versuchen,
Ölmoleküle in den Tanz einzubinden,
aber stoßen nur an deren Kleider
und sie brauchen sehr viel Platz auf der Tanzfläche.
Wasser kann besser tanzen,
wenn Öl nicht dabei ist,
also drängt das Wasser das Öl zurück
an den Rand zu den anderen.
Sobald eine größere Anzahl von Öl
beiseite gedrückt wurde,
hängen sie zusammen und beklagen sich,
wie unfair das Wasser ist,
und vereinen sich als Gruppe.
Es ist also die Kombination
des Zusammenspiels zwischen Molekülen
und deren mögliche Anordnung,
sich miteinander zu bewegen,
die bestimmt, wie sie sich mischen.
Anders gesagt, Wasser und Öl verbinden sich nicht,
weil sie einfach keine guten Tanzpartner sind.