Aristoteles huomasi ensimmäisenä, että kuuma vesi jäätyy kylmää nopeammin, mutta kemistit ovat aina ponnistelleet selittääkseen paradoksin. Kunnes nyt
Vesi saattaa olla yksi maapallon runsaimmista yhdisteistä, mutta se on myös yksi mystisimmistä. Kuten useimmat nesteet, se esimerkiksi muuttuu tiheämmäksi jäähtyessään. Mutta toisin kuin ne, se saavuttaa maksimitiheyden 4 °C:n lämpötilassa ja sen jälkeen sen tiheys pienenee ennen jäätymistä.
Jähmettyneenä se on vielä vähemmän tiheää, minkä vuoksi tavallinen jää kelluu veden päällä. Tämä on yksi syy siihen, miksi elämä maapallolla on kukoistanut – jos jää olisi vettä tiheämpää, järvet ja valtameret jäätyisivät alhaalta ylöspäin, mikä lähes varmasti estäisi elämän mahdollistavan kemian.
Sitten on vielä outo Mpemba-ilmiö, joka on saanut nimensä tansanialaisen opiskelijan mukaan, joka havaitsi 1960-luvun alussa kokkaustunneilla, että kuuma jäätelösekoitus jäätyy kylmää sekoitusta nopeammin. (Itse asiassa monet tiedemiehet, kuten Aristoteles, Francis Bacon ja René Descartes, ovat havainneet ilmiön kautta historian.)
Mpemba-ilmiö on havainto siitä, että lämmin vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Vaikutus on mitattu useaan otteeseen ja sille on esitetty monia selityksiä. Yksi ajatus on, että lämpimät astiat muodostavat paremman lämpökontaktin jääkaappiin ja johtavat siten lämpöä tehokkaammin. Tästä johtuu nopeampi jäätyminen. Toisen mukaan lämmin vesi haihtuu nopeasti, ja koska tämä on endoterminen prosessi, se viilentää vettä, jolloin se jäätyy nopeammin.
Kumpikaan näistä selityksistä ei ole täysin vakuuttava, minkä vuoksi todellinen selitys on edelleen hakusessa.
Tänään Xi Zhang Singaporessa sijaitsevasta Nanyangin teknillisestä yliopistosta ja muutama kaveriporukka esittävät sellaisen. Nämä kaverit sanovat, että Mpemba-paradoksi johtuu vettä koossa pitävien erilaisten sidosten ainutlaatuisista ominaisuuksista.
Mikä veden sidoksissa on niin outoa? Yksittäinen vesimolekyyli koostuu suhteellisen suuresta happiatomista, joka on yhdistetty kahteen pienempään vetyatomiin tavallisilla kovalenttisilla sidoksilla.
Mutta kun vesimolekyylit laitetaan yhteen, myös vetysidoksilla alkaa olla tärkeä rooli. Niitä syntyy, kun yhden molekyylin vety tulee lähelle toisen molekyylin happea ja sitoutuu siihen.
Vetysidokset ovat heikompia kuin kovalenttiset sidokset, mutta vahvempia kuin van der Waalsin voimat, joita gekot käyttävät kiipeillessään seinille.
Kemistit ovat jo pitkään tienneet, että ne ovat tärkeitä. Esimerkiksi veden kiehumispiste on paljon korkeampi kuin muiden samankaltaisten molekyylien nesteiden, koska vetysidokset pitävät sitä kasassa.
Mutta viime vuosina kemistit ovat tulleet yhä tietoisemmiksi vetysidosten hienovaraisemmista tehtävistä. Esimerkiksi vesimolekyylit kapeiden kapillaarien sisällä muodostavat ketjuja, joita vetysidokset pitävät yhdessä. Tällä on tärkeä rooli puissa ja kasveissa, joissa veden haihtuminen lehtikalvon läpi vetää tehokkaasti vesimolekyylien ketjua ylöspäin juurista.
Nyt Xi ja kumppanit sanovat, että vetysidokset selittävät myös Mpemba-ilmiön. Heidän keskeinen ajatuksensa on, että vetysidokset tuovat vesimolekyylit läheiseen kosketukseen, ja kun näin tapahtuu, molekyylien välinen luonnollinen repulsio saa kovalenttiset O-H-sidokset venymään ja varastoimaan energiaa.
Mutta nesteen lämmetessä se pakottaa vetysidokset venymään, ja vesimolekyylit istuvat kauempana toisistaan. Tällöin kovalenttiset molekyylit kutistuvat jälleen ja luovuttavat energiansa. Tärkeää on, että tämä prosessi, jossa kovalenttiset sidokset luovuttavat energiaa, vastaa jäähdytystä.
Efekti on itse asiassa perinteisen jäähdytysprosessin lisäksi. Lämpimän veden pitäisi siis heidän mukaansa jäähtyä nopeammin kuin kylmän veden. Ja juuri tämä on havaittu Mpemba-ilmiössä.
Nämä kaverit ovat laskeneet ylimääräisen jäähdytysvaikutuksen suuruuden ja osoittaneet, että se täsmälleen selittää havaitut erot kokeissa, joissa mitataan lämpimän ja kylmän veden erilaisia jäähtymisnopeuksia.
Voila! Mielenkiintoinen oivallus veden monimutkaisista ja salaperäisistä ominaisuuksista, jotka yhä aiheuttavat kemisteille unettomia öitä.
Mutta vaikka Xin ja kumppaneiden ajatus on vakuuttava, se ei ole aivan se teoreettinen slam dunk, jota monet fyysikot vaativat kysymyksen ratkaisemiseksi. Tämä johtuu siitä, että uudelta teorialta puuttuu ennustusvoima – ainakin tässä artikkelissa.
Xin ja kumppaneiden on käytettävä teoriaansa ennustamaan veden uusi ominaisuus, jota perinteinen ajattelu vedestä ei ennusta. Lyhentyneet kovalenttiset sidokset saattavat esimerkiksi synnyttää vedelle jonkin mitattavan ominaisuuden, jota ei muuten olisi. Tämän ominaisuuden löytäminen ja mittaaminen olisi armonpotku, jota heidän teoriansa tarvitsee.
Vaikka nämä kaverit ovatkin ehkä ratkaisseet Mpemba-efektin arvoituksen, heidän on luultavasti tehtävä hieman enemmän töitä vakuuttaakseen kaikki. Siitä huolimatta mielenkiintoisia juttuja!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox
.