Почему соль растворяется в воде, а масло нет?
Одним словом — химия,
но мы хотим подробностей, не так ли?
Итак, причина, по которой соль растворяется, а масло — нет,
связана с двумя большими причинами,
в связи с которыми вообще что-то происходит:
энергетика
и энтропия.
Энергетика, главным образом, связана
с силами притяжения между объектами.
Если мы присмотримся к маслу или соли в воде,
то мы увидим, что происходит взаимодействие между частицами
в очень, очень, очень маленьком масштабе,
на молекулярном уровне.
Чтобы вы могли представить этот масштаб:
в одном стакане воды
больше молекул,
чем известных науке звёзд во вселенной.
Все эти молекулы находятся в постоянном движении:
перемещаются, колеблются и вращаются.
Именно взаимное притяжение
между этими молекулами не даёт
большинству из них вылететь из стакана.
Силы взаимодействия
между молекулами воды и молекулами других веществ —
это то, что мы подразумеваем, когда говорим об энергетике.
Представьте, что молекулы воды как будто бы участвуют
в непрекращающемся танце,
что-то типа кадрили,
где они постоянно и произвольно меняются партнёрами.
Проще говоря, способность веществ
взаимодействовать с водой,
уравновешенная их нарушением,
в то время как молекулы воды взаимодействуют между собой,
имеет большое значение при объяснении,
почему одни вещества хорошо растворяются в воде,
а другие — нет.
Энтропия, прежде всего, описывает
то, как частицы и энергия могут быть упорядочены,
основываясь на произвольном движении.
Например, рассмотрим воздух в комнате.
Представьте себе все возможные скопления
из триллиона частиц,
из которых состоит воздух.
Некоторые из них
могли бы содержать все молекулы кислорода здесь
и все молекулы азота там,
отдельно.
Но большинство из возможных скоплений
содержат перемешанные друг с друг молекулы.
То есть энтропия благоприятствует перемешиванию.
Энергетика связана с силами притяжения.
И поэтому, если присутствуют силы притяжения,
вероятность образования каких-нибудь скоплений
может быть увеличена —
скоплений, где частицы притягиваются друг к другу.
Поэтому именно соотношение между энтропией и энергетикой
определяет происходящее.
На молекулярном уровне
вода состоит из молекул воды,
составленных из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Поскольку вода является жидкостью, эти молекулы участвуют
в непрекращающемся танце со случайной сменой партнёров,
который называется водородная связь.
Энтропия постоянно поддерживает
этот танец.
В кадриле молекулы воды
могут исполнять огромное количество
движений,
по сравнению с другим,
менее разнообразным танцем.
Танец никогда не прекращается.
Что же происходит после помещения соли в воду?
На молекулярном уровне
соль состоит из двух ионов,
хлора и натрия,
организованные как кирпичная стена.
Они появляются на танцполе
большими группами
и по началу сидят в сторонке,
стесняясь и сопротивляясь разделению
на отдельные ионы, дабы присоединиться к танцу.
Но на самом деле, эти стеснительные танцоры
безумно хотят, чтобы их кто-нибудь пригласил потанцевать.
Поэтому, когда молекула воды наталкивается на кого-то из них
и вытаскивает их из группы потанцевать,
они соглашаются.
Как только они выходят на танцпол,
назад уже не возвращаются.
По сути, участие ионов соли
вносит разнообразие в танцевальные движения
кадрили,
поэтому молекулам воды очень нравиться с ними танцевать.
Возьмём масло.
Молекулы масла вроде как заинтересованы
потанцевать с водой,
поэтому энтропия благоприятствует этому.
Проблема в том, что молекулы масла
одеты в огромные бальные платья,
и они гораздо больше, чем молекулы воды.
Когда молекула масла выходит на танцпол,
их размер мешает танцевать
и обмениваться партнёрами —
молекулами воды,
что является весьма важной частью танца.
К тому же, они не такие уж хорошие танцоры.
Молекулы воды пытаются задействовать
молекулы масла в танце,
но лишь наталкиваются на их платья
и падают на танцпол.
Без масла молекулы воды
могут танцевать куда более разнообразно,
поэтому молекулы воды прогоняют масло с танцпола,
отправляя их на скамейку к другим.
Вскоре, когда собирается большое количество подобных молекул масла,
выгнанных с танцпола,
они начинают жаловаться друг другу,
как несправедливо с ними обошлись молекулы воды,
и держатся обособленной группой.
Такова совокупность
взаимоотношений между молекулами
и возможных связей между ними,
пока они хаотично передвигаются,
что определяет растворимость одного вещества в другом.
Другими словами, масло не растворяется в воде,
потому что они плохие партнёры по танцам.