John Pollard：为什么油与水不能混合?

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盐可溶于水，而油却不行。为什么？你可以把那杯水想象成一个盛大且舞者们彼此碰撞着的舞会，水分子一直在更换舞伴——而且它们宁愿与盐共舞。John Pollard解释了力能学与熵这两个化学概念怎样统治了舞池的秩序。

主讲：John Pollard
动画：Andrew Foerster.

为什么盐可溶于水而油却不行呢？

嗯，从一种角度来说，是化学作用，

但是这并不很令人信服，不是吗？

其实，盐可溶于水而油不能的原因

可归结为一切事物与现象

发生的两个根本原因：

力能学

和熵。

力能学主要讨论

物体之间的引力。

当我们观察水中的盐或油时，

我们会在一个非常微小的尺度内

关注粒子之间的作用力，

分子层级。

这个尺度究竟有多微小呢？

在一杯水里，

分子的数量

比宇宙中已知的星星数量还要大。

现在，所有这些分子都在做匀速运动，

移动、振动并且旋转。

阻止了几乎所有的这些分子

从杯子里面飞出去的

是分子之间相吸引的相互作用力。

在水与它自己之间，以及与其他物质之间

相互作用力的力度

就是我们所说的力能学的含义。

你可以想象水分子

在始终如一地舞蹈着，

有点像那种

经常且随机更换舞伴的方块舞。

简言之，物质与水之间，

那种平衡于它们破坏

水分子之间的相互作用的程度

的相互作用的能力，

在解释为什么有些物质可溶于水，

而另一些却不能时

扮演着重要的角色。

熵基本描述了

建立在无规则运动基础上的

物质与能量被组合的方式。

例如，想象一个房间里的空气。

想象一个空间里万亿个

组成空气的分子

所有可能的组合方式。

其中一些组合方式

可能会将所有的氧分子置放在这一边

而将所有氮分子置放在那一边，

使二者分离开来。

然而，更多可能的方式

是使这些分子彼此混合起来。

因此，熵倾向于讨论“混合”。

力能学则讨论引力。

故而，如果引力存在，

一部分组合方式的可能性

便会被提高，

也就是那些物体彼此吸引的方式。

所以，决定所发生的现象的

通常是这二者的平衡。

在分子层级上，

水是由水分子组成的，

水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。

作为液态水，这些分子从事着

恒定而随机的

被称为“氢键网络”的“方块舞”。

熵倾向保持

这种“方块舞”一直进行。

所有水分子

被组合成“方块舞”的方式

总是会更多，

如果和水分子被组合成“排舞”的方式

比较的话。

因此，“方块舞”永恒地进行着。

那么，当你把盐放进水里时会发生什么呢？

嗯，在分子层级上，

盐其实是由两种不同的离子构成的，

氯离子和钠离子，

它们就像砖墙一样被组合起来。

它们以编队的形式作为一个大团体

出现在舞会上

并首先坐在了一边，

害羞，并且有些不情愿去分离成

单独的离子来加入这场舞会。

但是这些腼腆的舞者

暗地里却希望有人让它们加入。

所以，当一个水分子偶然地碰到它们中的一个

并且将它们推向舞会，远离它们的团体时，

它们就会去。

而且，只要它们加入了舞会，

就不会再回来了。

事实上，盐的加入

使得“方块舞”的组合

有了更多可能的形式，

所以对它们来说与水共“舞”有好处。

现在，我们来说说油。

油分子对与水共“舞”

还是有点感兴趣的，

所以熵偏向于让它们加入舞会。

而问题在于油分子

都穿着巨大的长礼服，

而且它们比水分子大得多。

所以，当一个油分子加入舞会时，

它的身量简直对舞会具有破坏性

而且，水所从事的

随机更换舞伴的行为，

是舞会的一个重要部分。

此外，它们也不是杰出的舞者。

水分子试图让油分子

参与到舞会当中来，

但是它们总是碰到它们的礼服

并且占掉了舞池里所有的空间。

当油离开舞池时

水跳舞的方式就多了许多，

所以水把油挤了出去，

把它推回了其他油分子一起坐着的长凳子上。

不一会儿，当一大群油分子

都被挤到一边时，

它们就会聚到一起，并且遗憾地叹息

水是多么的不公平

然后粘在一起成为一个团体。

因此，就是这种

当分子在无规则运动时，它们之间

的相互作用的结合

以及对它们来说可能实现的构造

决定了它们是否能够混合。

换一句话说，油和水不能混合的原因

就是因为它们组不成完美的舞伴。