Aristoteles si poprvé všiml, že horká voda mrzne rychleji než studená, ale chemici se vždy snažili tento paradox vysvětlit. Až nyní
Voda je možná jednou z nejrozšířenějších sloučenin na Zemi, ale také jednou z nejzáhadnějších. Jako většina kapalin například při ochlazování houstne. Na rozdíl od nich však dosahuje stavu maximální hustoty při teplotě 4 °C a poté se stává méně hustou, než zmrzne.
V pevné formě je ještě méně hustá, což je důvod, proč standardní led plave na vodě. To je jeden z důvodů, proč se na Zemi daří životu – kdyby byl led hustší než voda, zamrzla by jezera a oceány ode dna nahoru, což by téměř jistě znemožnilo vznik chemie, která umožňuje život.
Pak je tu zvláštní Mpembův efekt, pojmenovaný po tanzanském studentovi, který na začátku 60. let 20. století při hodinách vaření zjistil, že horká zmrzlinová směs mrzne rychleji než studená. (Ve skutečnosti si tohoto efektu všimlo mnoho vědců v historii, včetně Aristotela, Francise Bacona a Reného Descarta.)
Mpemba efekt je pozorování, že teplá voda mrzne rychleji než studená. Tento jev byl mnohokrát změřen a bylo předloženo mnoho vysvětlení. Jednou z myšlenek je, že teplé nádoby mají lepší tepelný kontakt s chladničkou, a tak účinněji vedou teplo. Proto dochází k rychlejšímu mrznutí. Další je, že teplá voda se rychle odpařuje, a protože jde o endotermický proces, voda se ochlazuje, takže rychleji mrzne.
Žádné z těchto vysvětlení není zcela přesvědčivé, a proto je pravé vysvětlení stále v nedohlednu.
Dnes Xi Zhang z Nanyang Technological University v Singapuru a několik jeho kamarádů jedno nabízí. Ti tvrdí, že Mpembův paradox je důsledkem jedinečných vlastností různých vazeb, které drží vodu pohromadě.
Co je na vazbách ve vodě tak zvláštního? Jediná molekula vody se skládá z relativně velkého atomu kyslíku spojeného se dvěma menšími atomy vodíku standardními kovalentními vazbami.
Ale když dáme molekuly vody dohromady, začnou hrát důležitou roli i vodíkové vazby. Ty vznikají, když se vodík v jedné molekule přiblíží ke kyslíku v jiné molekule a naváže se na něj.
Vodíkové vazby jsou slabší než kovalentní vazby, ale silnější než van der Waalsovy síly, které gekoni používají ke šplhání po stěnách.
Chemici už dlouho vědí, že jsou důležité. Například teplota varu vody je mnohem vyšší než u jiných kapalin s podobnými molekulami, protože ji drží pohromadě vodíkové vazby.
V posledních letech si však chemici stále více uvědomují jemnější role, které vodíkové vazby mohou hrát. Například molekuly vody uvnitř úzkých kapilár se formují do řetězců, které drží pohromadě vodíkové vazby. To hraje důležitou roli u stromů a rostlin, kde odpařování vody přes membránu listů účinně vytahuje řetězec molekul vody z kořenů.
Nyní Xi a spol. tvrdí, že vodíkové vazby vysvětlují také Mpembův efekt. Jejich klíčová myšlenka spočívá v tom, že vodíkové vazby přivádějí molekuly vody do těsného kontaktu, a když k tomu dochází, přirozené odpuzování mezi molekulami způsobuje, že se kovalentní vazby O-H natahují a ukládají energii.
Jakmile se však kapalina zahřeje, nutí to vodíkové vazby, aby se natahovaly, a molekuly vody sedí dále od sebe. Tím se kovalentní molekuly opět smrští a odevzdají svou energii. Důležité je, že tento proces, při kterém kovalentní vazby odevzdávají energii, je ekvivalentní ochlazování.
V podstatě jde o dodatečný efekt k běžnému procesu ochlazování. Teplá voda by se tedy měla ochlazovat rychleji než studená, říkají. A to je přesně to, co se pozoruje u Mpembova efektu.
Tito lidé vypočítali velikost dodatečného chladicího efektu a ukázali, že přesně vysvětluje pozorované rozdíly v experimentech, které měří různé rychlosti ochlazování teplé a studené vody.
Voila! To je zajímavý vhled do složitých a záhadných vlastností vody, které chemikům stále ještě nedávají spát.
Ale i když je myšlenka Xiho a spol. přesvědčivá, není to tak docela teoretická pecka, kterou budou mnozí fyzikové k vyřešení této otázky potřebovat. Je to proto, že nové teorii chybí předpovědní schopnost – přinejmenším v tomto článku.
Xi a spol. potřebují svou teorii použít k předpovědi nové vlastnosti vody, kterou konvenční myšlení o vodě nezná. Například zkrácené kovalentní vazby by mohly dát vzniknout nějaké měřitelné vlastnosti vody, která by jinak nebyla přítomna. Objevení a změření této vlastnosti by bylo převratem, který jejich teorie potřebuje.
Takže i když tito pánové dost možná vyřešili záhadu Mpembova efektu, budou muset pravděpodobně ještě trochu zapracovat, aby o tom všechny přesvědčili. Nicméně je to zajímavá věc!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: H-O anomální relaxace vazby řešící Mpembův paradox