Aristoteles bemerkte als Erster, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes, aber Chemiker haben sich immer schwer getan, dieses Paradoxon zu erklären. Bis jetzt
Wasser mag eine der am häufigsten vorkommenden Verbindungen auf der Erde sein, aber es ist auch eine der geheimnisvollsten. Zum Beispiel wird es wie die meisten Flüssigkeiten dichter, wenn es abkühlt. Aber im Gegensatz zu diesen erreicht es bei 4°C seine maximale Dichte und wird dann weniger dicht, bevor es gefriert.
In fester Form ist es noch weniger dicht, weshalb normales Eis auf Wasser schwimmt. Das ist ein Grund, warum das Leben auf der Erde gedeiht – wäre Eis dichter als Wasser, würden Seen und Ozeane von unten her zufrieren, was mit ziemlicher Sicherheit die Art von Chemie verhindern würde, die Leben möglich macht.
Dann gibt es noch den seltsamen Mpemba-Effekt, benannt nach einem tansanischen Studenten, der Anfang der 1960er Jahre im Kochunterricht entdeckte, dass eine heiße Eismischung schneller gefriert als eine kalte. (Tatsächlich wurde der Effekt im Laufe der Geschichte von vielen Wissenschaftlern beobachtet, darunter Aristoteles, Francis Bacon und René Descartes.)
Der Mpemba-Effekt ist die Beobachtung, dass warmes Wasser schneller gefriert als kaltes. Der Effekt wurde bei vielen Gelegenheiten gemessen, und es wurden viele Erklärungen dafür vorgebracht. Eine Idee ist, dass warme Gefäße einen besseren thermischen Kontakt mit einem Kühlschrank haben und daher die Wärme besser leiten. Daher das schnellere Gefrieren. Eine andere ist, dass warmes Wasser schnell verdampft, und da dies ein endothermer Prozess ist, kühlt er das Wasser ab, so dass es schneller gefriert.
Keine dieser Erklärungen ist völlig überzeugend, weshalb die wahre Erklärung immer noch in der Schwebe ist.
Heute liefern Xi Zhang von der Nanyang Technological University in Singapur und ein paar Kumpels eine. Sie sagen, dass das Mpemba-Paradoxon das Ergebnis der einzigartigen Eigenschaften der verschiedenen Bindungen ist, die Wasser zusammenhalten.
Was ist so seltsam an den Bindungen im Wasser? Ein einzelnes Wassermolekül besteht aus einem relativ großen Sauerstoffatom, das mit zwei kleineren Wasserstoffatomen durch kovalente Standardbindungen verbunden ist.
Aber wenn man Wassermoleküle zusammenfügt, spielen auch Wasserstoffbrückenbindungen eine wichtige Rolle. Sie entstehen, wenn ein Wasserstoffatom in einem Molekül in die Nähe eines Sauerstoffatoms in einem anderen kommt und sich mit diesem verbindet.
Wasserstoffbrücken sind schwächer als kovalente Bindungen, aber stärker als die Van-der-Waals-Kräfte, die Geckos nutzen, um Wände hochzuklettern.
Chemiker wissen schon lange, dass sie wichtig sind. So liegt beispielsweise der Siedepunkt von Wasser viel höher als der anderer Flüssigkeiten ähnlicher Moleküle, weil Wasserstoffbrückenbindungen es zusammenhalten.
Aber in den letzten Jahren sind sich Chemiker zunehmend der subtileren Rolle bewusst geworden, die Wasserstoffbrückenbindungen spielen können. Zum Beispiel bilden Wassermoleküle in engen Kapillaren Ketten, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Dies spielt eine wichtige Rolle bei Bäumen und Pflanzen, wo die Verdunstung von Wasser durch die Blattmembran eine Kette von Wassermolekülen aus den Wurzeln nach oben zieht.
Jetzt erklären Xi und Co. auch den Mpemba-Effekt durch Wasserstoffbrücken. Ihre Kernidee ist, dass Wasserstoffbrücken die Wassermoleküle in engen Kontakt bringen, und wenn dies geschieht, führt die natürliche Abstoßung zwischen den Molekülen dazu, dass sich die kovalenten O-H-Bindungen dehnen und Energie speichern.
Wenn sich die Flüssigkeit jedoch erwärmt, werden die Wasserstoffbrücken gedehnt und die Wassermoleküle sitzen weiter auseinander. Dadurch schrumpfen die kovalenten Moleküle wieder und geben ihre Energie ab. Wichtig ist, dass dieser Prozess, bei dem die kovalenten Bindungen Energie abgeben, einer Abkühlung gleichkommt.
Dieser Effekt tritt sogar zusätzlich zum herkömmlichen Prozess der Abkühlung ein. Warmes Wasser müsste also schneller abkühlen als kaltes, heißt es. Und genau das wird beim Mpemba-Effekt beobachtet.
Die Forscher haben die Größe des zusätzlichen Kühleffekts berechnet und zeigen, dass er die beobachteten Unterschiede in Experimenten, die die unterschiedlichen Abkühlungsraten von heißem und kaltem Wasser messen, genau erklärt.
Voila! Das ist ein interessanter Einblick in die komplexen und geheimnisvollen Eigenschaften von Wasser, die Chemikern immer noch schlaflose Nächte bereiten.
Aber obwohl die Idee von Xi und Co. überzeugend ist, ist sie nicht ganz der theoretische Volltreffer, den viele Physiker benötigen, um die Frage zu klären. Das liegt daran, dass es der neuen Theorie an Vorhersagekraft mangelt – zumindest in dieser Arbeit.
Xi und Co. müssen mit ihrer Theorie eine neue Eigenschaft von Wasser vorhersagen, die in der herkömmlichen Vorstellung von Wasser nicht vorkommt. Zum Beispiel könnten die verkürzten kovalenten Bindungen zu einer messbaren Eigenschaft des Wassers führen, die sonst nicht vorhanden wäre. Die Entdeckung und Messung dieser Eigenschaft wäre der Gnadenstoß, den ihre Theorie braucht.
Die beiden haben zwar das Rätsel des Mpemba-Effekts gelöst, müssen sich aber wahrscheinlich noch ein wenig anstrengen, um alle zu überzeugen. Nichtsdestotrotz, interessante Sache!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox