なぜ塩は水に溶けるのに
油は溶けないのでしょうか？
ひと言で言えば
化学のなせるわざです
でも それでは納得できませんよね
塩が水に溶けて
油が水に溶けない理由は
２つの大きな要因に行き着きます
様々なことが起こるのは
エネルギー論と
エントロピーによるのです
エネルギー論は 主に
物質間の引力を扱います
水の中の油や塩を見るとき
私たちは 粒子間の力に焦点を当てます
本当に ものすごく非常に小さい尺度
分子レベルの話です
この尺度のイメージを掴んでみましょう
グラス１杯の水には
宇宙にあるとされている星の数よりも
多くの分子が存在します
さて これら全ての分子は
常に動き 振動し 回転しています
これらのほぼ全ての分子が
グラスから飛び出さないのは
分子間に働く 引力相互作用のおかげです
水分子同士や
水と他の物質との間に働く
この相互作用の力が
私たちが言うところの
エネルギー論にあたります
水分子は 絶えず
スクエアダンスのようなものを
踊っており
そこで常にランダムにパートナーを
取り替えていると考えることができます
要するに
物質が水分子に作用する力は
物質による水分子の擾乱と
水分子同士の相互作用との
均衡関係によって
大きな違いが
もたらされており
ある物質は水によく混ざり
他の物質は混ざらない理由の
説明となっています
エントロピーは 基本的に
ランダムな動きによって
物質やエネルギーが
配置される様を表しています
例えば
部屋の中の空気を考えてみましょう
空間にある
空気を構成する何兆もの粒子の
起こりうる全ての配置を
想像してみましょう
いくつかの配置では
全ての酸素分子が こちら側に
全ての窒素分子が そちら側に
集まり
分かれるかもしれません
しかし 可能性がはるかに高いのは
これらの分子が互いに混ざり合う配置です
つまり エントロピーは混合を好むのです
エネルギー論は 引力を扱います
そして 引力が作用する場合に
確率が高まる配置があります
それは 物質が互いに引き合う配置です
いつでも２つの物質間のバランスが
何が起こるかを決めるのです
分子レベルでは
水は水分子から構成されており
水分子は 水素元素２つと
酸素元素１つから成ります
液体の水の場合 これらの分子は
絶えず ランダムなスクエアダンスを
踊っています
これは 水素結合ネットワークと
呼ばれています
エントロピーは 常に
スクエアダンスを踊り続けるよう促します
全ての水分子を配置する方法は
いつの場合でも
スクエアダンスの場合の方が
ラインダンスの場合よりも
多くあります
だから スクエアダンスが
ずっと続きます
さて 水の中に塩を入れると
何が起こるでしょうか
分子レベルでは
塩は実際２つの異なるイオン ―
塩素イオンと
ナトリウムイオンから成り
レンガの壁のようになっています
ダンスに現れる時は
大きなグループとなり
初めは端に座っています
シャイで
別々に分かれてダンスに参加するのを
ちょっと嫌がります
でも シャイなダンサーたちは 内心では
誰かからダンスに誘われたいと
思っています
そこに 水がランダムにぶつかってきて
塩のイオンをグループから引き離して
ダンスに引き込み
踊りに行きます
塩のイオンは いったんダンスを始めると
戻ってきません
それどころか
塩のイオンをさらに加えると
スクエアダンスの取りうる
配置の方法が
さらに増えるため
水と踊り続けるのを好むのです
次に油を見てみましょう
油の分子は 水とダンスすることに
少しは興味があって
エントロピーは
油がダンスに参加するよう促します
問題は 油分子が
壮大なドレスを身に着けており
水分子よりも はるかに大きいことです
だから 油分子が踊り始めると
その大きさのせいで ダンスや
ダンスの一番の見せ場となる
水が行う
ランダムなパートナーチェンジの
邪魔になります
それに 油分子は
ダンスが得意ではないのです
水分子が油分子を
ダンスに引き込もうとしても
油分子はただドレスをぶつけるだけで
ダンスフロア全体を占領してしまいます
油がダンスフロアから降りれば
水は 様々な配置でダンスを踊れます
そこで水は 油を追い出し
仲間のいるベンチに押し戻します
端に追いやられるとすぐに
たくさんの油たちは
一緒になって慰め合い
水分子がいかにアンフェアだったかを話し
仲間同士として集結します
つまり この組み合わせ ―
分子間の相互作用と
ランダムに動いている時の
可能な配置の数によって
それらが混ざり合うかどうかが
決まるのです
つまり 水と油が混ざらないのは
彼らは ただお互いに
良いダンスパートナーになれないからです