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