Aristoteles bemærkede først, at varmt vand fryser hurtigere end koldt, men kemikere har altid kæmpet for at forklare paradokset. Indtil nu
Vand er måske en af de mest rigelige forbindelser på Jorden, men det er også en af de mere mystiske. Som de fleste væsker bliver det f.eks. tættere, når det afkøles. Men i modsætning til dem når det en tilstand med maksimal tæthed ved 4 °C og bliver derefter mindre tæt, før det fryser.
I fast form er det stadig mindre tæt, hvilket er grunden til, at almindelig is flyder på vand. Det er en af grundene til, at livet på Jorden har blomstret – hvis is var tættere end vand, ville søer og oceaner fryse til fra bunden og op, hvilket næsten helt sikkert ville forhindre den form for kemi, der gør liv muligt.
Så er der den mærkelige Mpemba-effekt, opkaldt efter en tanzanisk studerende, der opdagede, at en varm isblanding fryser hurtigere end en kold blanding i madlavningskurser i begyndelsen af 1960’erne. (Faktisk er effekten blevet bemærket af mange videnskabsmænd gennem historien, herunder Aristoteles, Francis Bacon og René Descartes.)
Mpemba-effekten er en observation af, at varmt vand fryser hurtigere end koldt vand. Effekten er blevet målt ved mange lejligheder, og mange forklaringer er blevet fremsat. En idé er, at varme beholdere har bedre termisk kontakt med et køleskab og dermed leder varmen mere effektivt. Derfor fryser de hurtigere. En anden er, at varmt vand fordamper hurtigt, og da dette er en endotermisk proces, afkøles vandet, hvilket får det til at fryse hurtigere.
Ingen af disse forklaringer er helt overbevisende, og derfor er den sande forklaring stadig ikke fundet.
I dag leverer Xi Zhang fra Nanyang Technological University i Singapore og et par kammerater en. De siger, at Mpemba-paradokset er resultatet af de unikke egenskaber ved de forskellige bindinger, der holder vand sammen.
Hvad er der så mærkeligt ved bindingerne i vand? Et enkelt vandmolekyle består af et relativt stort oxygenatom, der er forbundet med to mindre hydrogenatomer ved hjælp af almindelige kovalente bindinger.
Men hvis man sætter vandmolekyler sammen, begynder hydrogenbindinger også at spille en vigtig rolle. De opstår, når et hydrogen i et molekyle kommer tæt på oxygen i et andet molekyle og binder sig til det.
Hydrogenbindinger er svagere end kovalente bindinger, men stærkere end de van der Waals-kræfter, som gekkoer bruger til at klatre op ad vægge.
Kemikere har længe vidst, at de er vigtige. For eksempel er vands kogepunkt meget højere end andre væsker med lignende molekyler, fordi hydrogenbindinger holder det sammen.
Men i de seneste år er kemikere blevet mere og mere opmærksomme på de mere subtile roller, som hydrogenbindinger kan spille. For eksempel danner vandmolekyler inde i snævre kapillærer sig til kæder, der holdes sammen af hydrogenbindinger. Dette spiller en vigtig rolle i træer og planter, hvor vandfordampning gennem en bladmembran effektivt trækker en kæde af vandmolekyler op fra rødderne.
Nu siger Xi og co., at hydrogenbindinger også forklarer Mpemba-effekten. Deres hovedidé er, at hydrogenbindinger bringer vandmolekylerne i tæt kontakt, og når det sker, får den naturlige frastødning mellem molekylerne de kovalente O-H-bindinger til at strække sig og lagre energi.
Men når væsken varmes op, tvinger det hydrogenbindingerne til at strække sig, og vandmolekylerne sidder længere fra hinanden. Dette gør det muligt for de kovalente molekyler at krympe igen og afgive deres energi. Det vigtige punkt er, at denne proces, hvor de kovalente bindinger afgiver energi, svarer til afkøling.
Den virkning er faktisk en yderligere effekt i forhold til den konventionelle afkølingsproces. Så varmt vand burde afkøle hurtigere end koldt vand, siger de. Og det er præcis, hvad der er observeret i Mpemba-effekten.
Disse fyre har beregnet størrelsen af den ekstra køleeffekt og viser, at den præcis forklarer de observerede forskelle i eksperimenter, der måler de forskellige afkølingshastigheder for varmt og koldt vand.
Voila! Det er et interessant indblik i vandets komplekse og mystiske egenskaber, som stadig giver kemikere søvnløse nætter.
Men selv om Xi og co’s idé er overbevisende, er den ikke helt den teoretiske slam dunk, som mange fysikere vil kræve for at afgøre spørgsmålet. Det skyldes, at den nye teori mangler forudsigelseskraft – i hvert fald i denne artikel.
Xi og co. skal bruge deres teori til at forudsige en ny egenskab ved vand, som den konventionelle tankegang om vand ikke gør. For eksempel kan de forkortede kovalente bindinger give anledning til en eller anden målbar egenskab ved vandet, som ellers ikke ville være til stede. Opdagelsen og målingen af denne egenskab ville være det coup de grâce, som deres teori har brug for.
Så selv om disse fyre måske godt har løst gåden om Mpemba-effekten, skal de nok arbejde lidt hårdere for at overbevise alle. Ikke desto mindre er det interessante ting!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomal Relaxation Resolving Mpemba Paradox