น้ำตาลหายไปไหน เบื้องหลังการละลายที่มองไม่เห็น

สถานะของสสารถูกกำหนดโดยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล เช่น น้ำตาลที่มีโครงสร้างของแข็งเพราะแรงระหว่างโมเลกุลแน่นหนา แต่เมื่อสัมผัสน้ำ น้ำจะเข้าแทรกและทำให้น้ำตาลละลายเสียรูปร่าง บทความนี้จะอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างโมเลกุลกับสถานะของน้ำตาลในรูปแบบต่าง ๆ

สถานะของสสารกับแรงระหว่างโมเลกุล

          สถานะทางกายภาพของสสารใด ๆ จะถูกกำหนดโดยแรงที่ยึดอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของสสารนั้นเข้าด้วยกัน เช่น แรงระหว่างโมเลกุล (Intermolecular forces) ของสสารที่มีสถานะเป็นของแข็ง ซึ่งโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบจะยึดเหนี่ยวกันไว้ด้วยแรงระหว่างโมเลกุลที่มีความแข็งแรงภายในโครงสร้างผลึก ทำให้ของแข็งคงรูปร่างและไม่สามารถถูกบีบอัดให้มีปริมาตรลดลงได้ ในขณะที่สสารที่มีสถานะเป็นของเหลวจะมีแรงระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอกว่าของแข็ง ของเหลวจึงมีรูปร่างที่ไม่แน่นอนและเปลี่ยนรูปร่างไปตามภาชนะที่บรรจุ

          น้ำตาล (Sugar) เป็นสารประกอบอินทรีย์ในรูปแบบหนึ่งของคาร์โบไฮเดรตที่ประกอบไปด้วยธาตุคาร์บอน ออกซิเจน และไฮโดรเจน ซึ่งหากแบ่งชนิดของน้ำตาลตามขนาดของโมเลกุลจะสามารถแบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม ได้แก่ มอโนแซ็กคาไรด์ (monosaccharide) โอลิโกแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide) และพอลิแซ็กคาไรด์ (polysaccharide) ทั้งนี้น้ำตาลเกือบทุกชนิดมีสูตรเคมีเป็น C_nH_2nO_n เช่น น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวอย่างกลูโคสที่มีสูตรเคมีเป็น C₆H₁₂O₆  อย่างไรก็ดีลักษณะของเกล็ดน้ำตาลที่เป็นของแข็งเป็นผลมาจากโมเลกุลของน้ำตาลมีแรงระหว่างโมเลกุลที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคเข้าด้วยกันไว้อย่างมาก แต่เมื่อก้อนน้ำตาลหรือเกร็ดน้ำตาลสัมผัสกับน้ำ แรงโมเลกุลเหล่านั้นจะถูกแทรกแซงและทำให้เกร็ดน้ำตาลเสียรูปร่างไป

หากค้นหาข้อมูลโครงสร้างทางเคมีของน้ำตาลจะสังเกตเห็นว่า โมเลกุลของน้ำตาลประกอบไปด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (Hydroxyl group) ซึ่งเป็นหมู่ฟังก์ชัน -OH ในสารอินทรีย์ นั่นแสดงให้เห็นถึงสภาพขั้วของโมเลกุล (Polarity of molecules) และความสามารถในการสร้างพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) กับโมเลกุลของน้ำที่อยู่รอบตัวมันได้

          น้ำ (Water) เป็นของเหลวที่พบได้โดยทั่วไป โดยโมเลกุลของน้ำประกอบไปด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอมจับกับออกซิเจน 1 อะตอมด้วยพันธะโคเวเลนซ์  ทั้งนี้น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว เนื่องจากออกซิเจนมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี (Electronegativity: EN) สูงกว่าไฮโดรเจน จึงทำให้ออกซิเจนมีขั้วลบ ในขณะที่ไฮโดรเจนมีขั้วบวก และด้วยคุณสมบัติของการมีขั้วนี้จึงทำให้แต่ละโมเลกุลของน้ำยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงระหว่างโมเลกุลซึ่งก็คือ พันธะไฮโดรเจนที่ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไฮโดรเจนของน้ำโมเลกุลหนึ่งเข้ากับอะตอมออกซิเจนของน้ำอีกโมเลกุลหนึ่ง และแม้ว่าโมเลกุลของน้ำ 1 โมเลกุลจะสามารถจับกับโมเลกุลของน้ำได้อีก 4 โมเลกุลด้วยพันธะไฮโดรเจน แต่พันธะไฮโดรเจนนั้นจัดเป็นพันธะที่มีความอ่อนแอ เนื่องจากสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วและแตกหักได้ง่ายภายใต้ภาวะทางชีวภาพที่ปกติ

น้ำตาลละลายน้ำ

          การละลาย (Dissolved) คือการที่อนุภาคของตัวถูกละลายแทรกตัวเข้าไปอยู่ระหว่างอนุภาคของตัวทำละลายได้ ทั้งนี้ปัจจัยในเรื่องของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีผลต่อการละลายเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ดีโดยปกติแล้วการที่ตัวถูกละลายจะละลายได้ในตัวทำละลายได้นั้น สารทั้งสองชนิดจะต้องมีคุณสมบัติที่เหมือนกัน    

          คุณสมบัติความมีขั้วในโมเลกุลของน้ำ ทำให้น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดีสำหรับโมเลกุลที่มีขั้ว (Polar molecule) เช่นเดียวกัน ซึ่งจากข้อมูลข้างต้น โมเลกุลของน้ำตาลเป็นโมเลกุลที่มีขั้วเนื่องจากมีหมู่ไฮดดรอกซิล (-OH) จำนวนมากในโครงสร้างโมเลกุล เป็นผลให้โมเลกุลของกลูโคสดึงดูดโมเลกุลของน้ำได้ด้วยแรงระหว่างขั้ว (dipole-dipole forces) นอกจากนี้หมู่ไฮดรอกซิลของน้ำตาลยังสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำได้ และด้วยความแข็งแรงของแรงระหว่างโมเลกุลของน้ำตาลและน้ำที่มีมากกว่าการยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงระหว่างโมเลกุลของโมเลกุลของน้ำตาล จึงทำให้น้ำตาลสามารถละลายน้ำได้

การกวนหรือคนสารละลายเป็นหนึ่งในปัจจัยที่ช่วยให้น้ำตาลละลายน้ำได้ง่ายขึ้น เนื่องจากการคนสารจะช่วยให้น้ำตาลแตกตัวเป็นอนุภาคเล็กๆ และสัมผัสกับโมเลกุลของน้ำได้มากขึ้น ทั้งนี้เพื่อป้องกันความเข้าใจผิดเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสาร สิ่งหนึ่งที่ควรทราบคือ การละลายน้ำของน้ำตาลเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เนื่องด้วยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีจะต้องมีสารใหม่ที่มีองค์ประกอบและคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างจากสารเดิมเกิดขึ้นเสมอ ซึ่งสิ่งที่เกิดขึ้นจากการที่น้ำตาลละลายน้ำเป็นเพียงสารละลายที่ไม่ได้ทำให้น้ำตาลมีปริมาณมากขึ้นหรือลดลง รวมทั้งเอกลักษณ์ขององค์ประกอบของสารก็ยังคงไม่มีความเปลี่ยนแปลงไปด้วย