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.