ทำไมเกลือละลายในน้ำ แต่น้ำมันกลับไม่ละลายในน้ำ
คำตอบสั้น ๆ คือ มันเป็นเรื่องทางเคมี
แต่คำตอบยังไม่น่าพอใจใช่ไหมล่ะ
สาเหตุที่เกลือและน้ำมัน ละลายในน้ำได้ต่างกัน
มาจากสองเหตุผลหลัก
ที่ทำให้เกิดปรากฎการณ์ทั้งหมดนี้
พลังงาน
และเอนโทรปี
พลังงานโดยพื้นฐานแล้วเกี่ยวข้อง
กับแรงดึงระหว่างสิ่งต่าง ๆ
เมื่อพูดถึงเกลือหรือว่าน้ำมัน ที่อยู่ในน้ำ
เราจะให้ความสนใจ ต่อแรงระหว่างอนุภาค
ในระดับที่เล็กมาก ๆ
ซึ่งก็คือในระดับโมเลกุล
เพื่อให้คุณได้เข้าใจ ถึงระดับโมเลกุลดังกล่าว
ในน้ำแก้วหนึ่ง
มีโมเลกุลอยู่
มากกว่าดาวที่เรารู้ว่ามีอยู่ในจักรวาล
เอาล่ะ โมเลกุลทั้งหมดนี้ มีการเคลื่อนไหว
เคลื่อนที่ สั่น และหมุนรอบ ๆ อย่างสม่ำเสมอ
สิ่งที่ป้องกันโมเลกุลทั้งหมดเหล่านี้
ไม่ให้หลุดลอยออกไปจากแก้ว
คือปฏิสัมพันธ์แรงดึงระหว่างโมเลกุล
ความแรงของปฏิสัมพันธ์
ระหว่างน้ำด้วยกันเองและสสารอื่น ๆ
คือสิ่งที่เราเรียกว่าพลังงาน
คุณลองนึกถึงโมเลกุลน้ำ
จับคู่เต้นรำอย่างสม่ำเสมอ
เหมือนกับการเต้นสแควร์
ซึ่งพวกมันสุ่มเปลี่ยนคู่เต้นรำไปเรื่อย ๆ อย่างสม่ำเสมอ
พูดง่าย ๆ ก็คือความสามารถของสสาร
ในการมีปฏิสัมพันธ์กับน้ำ
ถูกทำให้สมดุลกับการแยกตัว
กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างน้ำด้วยกันเอง
มันมีบทบาทสำคัญในการอธิบาย
ว่าทำไมสสารบางอย่างละลายได้ดีในน้ำ
แต่บางอย่างไม่ละลาย
โดยหลักแล้ว เอนโทรปี อธิบายถึง
การที่สิ่งต่าง ๆ และพลังงาน สามารถถูกจัดเรียง
จากการเคลื่อนไหวแบบสุ่ม
ยกตัวอย่างเช่น ลองนึกถึงอากาศในห้อง
ลองนึกถึงการจัดเรียงตัวที่เป็นไปได้ทั้งหมด
ของอนุภาคนับล้านล้านอนุภาค
ที่เป็นส่วนประกอบของอากาศ
การเรียงตัวบางแบบ
อาจมีโมเลกุลออกซิเจนทั้งหมดอยู่ทางนี้
และโมเลกุลไนโตรเจนทั้งหมดอยู่ทางโน้น
แยกจากกัน
แต่การจัดเรียงที่น่าจะเป็นไปได้มากกว่า
คือการที่โมเลกุลเหล่านี้อยู่ผสมปะปนกัน
ดังนั้น เอนโทรปีมีแนวโน้มที่จะผสมสิ่งต่าง ๆ
พลังงานเกี่ยวข้องกับแรงดึง
ฉะนั้น ถ้ามีแรงดึงโมเลกุลเข้าหากัน
ความน่าจะเป็นของการเรียงตัวบางแบบ
อาจจะมากขึ้น
ซึ่งก็คือแบบที่สสารถูกดึงเข้าหากัน
ดังนั้น จึงเป็นความสมดุลของสองสิ่งนี้
ที่กำหนดว่าจะเกิดอะไรขึ้น
ในระดับโมเลกุล
น้ำประกอบรวมด้วยโมเลกุลน้ำ
ที่ประกอบขึ้นจากไฮโดรเจนสองอะตอม และออกซิเจนหนึ่งอะตอม
ในสถานะของเหลวโมเลกุลเหล่านี้จะปฏิสัมพันธ์กัน
ในการเต้นรำอย่างสม่ำเสมอและอย่างสุ่ม
ซึ่งมันเรียกว่าโครงข่ายพันธะไฮโดรเจน
เอนโทรปีมีแนวโน้มที่จะคงรักษา
การจับคู่เต้นรำแบบสแควร์ ให้ดำเนินต่อไปเรื่อย ๆ
มีวิธีการมากมายกว่า
ที่โมเลกุลน้ำทั้งหมดจะสามารถถูกจัดเรียงได้
ในการเต้นรำแบบสแควร์
เมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลน้ำ
ที่เต้นรำแบบเรียงเป็นแถวเดียว
ดังนั้น การจับคู่เต้นรำแบบสแควร์จึงดำเนินต่อไป
แล้วเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณใส่เกลือลงในน้ำ
ในระดับโมเลกุล
เกลือประกอบด้วยประจุสองชนิด
คลอรีนและโซเดียม
ที่จัดเรียงตัวคล้ายกับกำแพงอิฐ
พวกมันปรากฏตัวในการเต้นรำ
เป็นกลุ่มใหญ่
และมานั่งอยู่ข้าง ๆ ในตอนแรก
เขินอายและลังเลที่จะแยกออกจากกัน
เป็นแต่ละประจุ เพื่อไปร่วมเต้นรำ
แต่ลึก ๆ แล้ว นักเต้นขี้อายเหล่านี้
แค่กำลังรอคอยให้มีคนชวนไปเต้นเท่านั้น
ดังนั้น เมื่อโมเลกุลน้ำ ชนเข้ากับหนึ่งในพวกมันอย่างสุ่ม
และดึงพวกมันเข้าไปในการเต้นรำ ออกไปจากกลุ่มของพวกมันเอง
เกลือก็ตามไป
แต่เมื่อเกลือออกไปเต้น
พวกมันไม่กลับออกมาอีก
และอันที่จริง การเพิ่มประจุเกลือ
ทำให้มีตำแหน่งการเต้นได้หลากหลายมากขึ้น
ในการเต้นแบบสแควร์
ฉะนั้น มันจึงมีแนวโน้มที่พวกมัน จะเต้นรำกับน้ำได้เรื่อย ๆ
ทีนี้ลองมาดูน้ำมัน
โมเลกุลน้ำมันค่อนข้างที่จะสนใจ
ที่จะเต้นกับน้ำ
เอนโทรปีจึงมีแนวโน้มที่จะทำให้มันเข้าร่วมกันเต้นรำ
ปัญหาคือโมเลกุลน้ำมัน
สวมชุดเต้นรำเต็มยศอยู่
และพวกมันก็ตัวใหญ่กว่าโมเลกุลน้ำมาก
ดังนั้น เมื่อโมเลกุลน้ำมันถูกดึงไป
ขนาดของมันรบกวนการเต้นรำ
และสับเปลี่ยนคู่อย่างสุ่ม
กับโมเลกุลน้ำ
ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการเต้นรำ
ยิ่งกว่านั้น โมเลกุลน้ำมันเต้นไม่เก่ง
โมเลกุลน้ำพยายามจะเข้าไป
เต้นกับโมเลกุลน้ำมัน
แต่พวกมันก็ชนเข้ากับชุดกระโปรง
และกินที่บนเวทีเต้นรำไปเสียหมด
มีวิธีที่น้ำจะสามารถเต้นรำได้มากกว่า
เมื่อน้ำมันออกจากเวทีเต้นรำ
ดังนั้นน้ำจึงดันน้ำมันออกไป
ผลักให้พวกมันกลับไปนั่งข้าง ๆ
ไม่นานหลังจากน้ำมันจำนวนมาก
ถูกดันออกไปข้าง ๆ
พวกมันก็จับตัวกันแล้วก็บ่นงึมงำ
ว่าน้ำนี่ช่างไม่ยุติธรรม
และก็จับกลุ่มอยู่ด้วยกันอย่างนั้น
ฉะนั้น นี่คือการผสมผสาน
ของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล
และรูปแบบการเรียงตัวที่เป็นไปได้
เมื่อพวกมันเคลื่อนที่อย่างสุ่ม
ซึ่งกำหนดว่าพวกมันจะผสมกันหรือไม่
พูดอีกแบบก็คือ น้ำกับน้ำมันไม่เข้ากัน
เพราะพวกมันเป็นคู่เต้นที่ไม่เหมาะสมกันนั่นเอง