Aristote a remarqué le premier que l’eau chaude gèle plus vite que le froid, mais les chimistes ont toujours eu du mal à expliquer ce paradoxe. Jusqu’à maintenant
L’eau est peut-être l’un des composés les plus abondants sur Terre, mais c’est aussi l’un des plus mystérieux. Par exemple, comme la plupart des liquides, elle devient plus dense en se refroidissant. Mais contrairement à eux, elle atteint un état de densité maximale à 4°C, puis devient moins dense avant de geler.
Sous forme solide, elle est encore moins dense, ce qui explique que la glace standard flotte sur l’eau. C’est l’une des raisons pour lesquelles la vie sur Terre a prospéré – si la glace était plus dense que l’eau, les lacs et les océans gèleraient du fond vers le haut, empêchant presque certainement le type de chimie qui rend la vie possible.
Puis il y a l’étrange effet Mpemba, nommé d’après un étudiant tanzanien qui a découvert qu’un mélange chaud de crème glacée gèle plus rapidement qu’un mélange froid dans des cours de cuisine au début des années 1960. (En fait, l’effet a été noté par de nombreux scientifiques au cours de l’histoire, notamment Aristote, Francis Bacon et René Descartes.)
L’effet Mpemba est l’observation que l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide. Cet effet a été mesuré à de nombreuses reprises et de nombreuses explications ont été avancées. Une idée est que les récipients chauds établissent un meilleur contact thermique avec un réfrigérateur et conduisent donc la chaleur plus efficacement. D’où la congélation plus rapide. Une autre est que l’eau chaude s’évapore rapidement et comme il s’agit d’un processus endothermique, cela refroidit l’eau, ce qui la fait geler plus rapidement.
Aucune de ces explications n’est entièrement convaincante, c’est pourquoi la véritable explication est toujours en suspens.
Aujourd’hui, Xi Zhang de l’Université technologique de Nanyang à Singapour et quelques copains en fournissent une. Ces derniers affirment que le paradoxe de Mpemba est le résultat des propriétés uniques des différentes liaisons qui maintiennent l’eau ensemble.
Qu’est-ce qui est si étrange dans les liaisons de l’eau ? Une seule molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène relativement grand relié à deux atomes d’hydrogène plus petits par des liaisons covalentes standard.
Mais mettez les molécules d’eau ensemble et les liaisons hydrogène commencent également à jouer un rôle important. Elles se produisent lorsqu’un hydrogène d’une molécule s’approche de l’oxygène d’une autre et s’y lie.
Les liaisons hydrogène sont plus faibles que les liaisons covalentes mais plus fortes que les forces de van der Waals que les geckos utilisent pour grimper aux murs.
Les chimistes savent depuis longtemps qu’elles sont importantes. Par exemple, le point d’ébullition de l’eau est beaucoup plus élevé que celui d’autres liquides de molécules similaires parce que les liaisons hydrogène la maintiennent ensemble.
Mais ces dernières années, les chimistes sont devenus de plus en plus conscients des rôles plus subtils que les liaisons hydrogène peuvent jouer. Par exemple, les molécules d’eau à l’intérieur de capillaires étroits forment des chaînes maintenues ensemble par des liaisons hydrogène. Cela joue un rôle important dans les arbres et les plantes où l’évaporation de l’eau à travers la membrane d’une feuille tire efficacement une chaîne de molécules d’eau vers le haut à partir des racines.
Maintenant, Xi et co disent que les liaisons hydrogène expliquent également l’effet Mpemba. Leur idée clé est que les liaisons hydrogène mettent les molécules d’eau en contact étroit et, lorsque cela se produit, la répulsion naturelle entre les molécules fait que les liaisons O-H covalentes s’étirent et stockent de l’énergie.
Mais lorsque le liquide se réchauffe, il force les liaisons hydrogène à s’étirer et les molécules d’eau s’assoient plus loin les unes des autres. Cela permet aux molécules covalentes de se rétracter à nouveau et de céder leur énergie. Le point important est que ce processus dans lequel les liaisons covalentes cèdent de l’énergie est équivalent à un refroidissement.
En fait, l’effet est supplémentaire au processus conventionnel de refroidissement. Donc, l’eau chaude devrait se refroidir plus rapidement que l’eau froide, disent-ils. Et c’est exactement ce qui est observé dans l’effet Mpemba.
Ces gars ont calculé l’ampleur de l’effet de refroidissement supplémentaire et montrent qu’il explique exactement les différences observées dans les expériences qui mesurent les différents taux de refroidissement de l’eau chaude et de l’eau froide.
Voila ! Voilà un aperçu intéressant des propriétés complexes et mystérieuses de l’eau, qui donnent encore des nuits blanches aux chimistes.
Mais si l’idée de Xi et co est convaincante, elle n’est pas tout à fait le slam dunk théorique dont de nombreux physiciens auront besoin pour régler la question. En effet, la nouvelle théorie manque de pouvoir prédictif – du moins dans cet article.
Xi et co doivent utiliser leur théorie pour prédire une nouvelle propriété de l’eau que la pensée conventionnelle sur l’eau ne prévoit pas. Par exemple, les liaisons covalentes raccourcies pourraient donner lieu à une certaine propriété mesurable de l’eau qui ne serait pas présente autrement. La découverte et la mesure de cette propriété serait le coup de grâce dont leur théorie a besoin.
Alors que ces gars pourraient bien avoir résolu l’énigme de l’effet Mpemba, ils devront probablement travailler un peu plus dur pour convaincre tout le monde. Néanmoins, des choses intéressantes!
Ref : arxiv.org/abs/1310.6514 : Relaxation anormale de la liaison O:H-O résolvant le paradoxe de Mpemba
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