Aristotelész vette észre először, hogy a forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg, de a kémikusok mindig is küzdöttek a paradoxon magyarázatával. Egészen mostanáig
A víz lehet az egyik leggyakoribb vegyület a Földön, de egyben az egyik legrejtélyesebb is. Például a legtöbb folyadékhoz hasonlóan a lehűléssel sűrűbbé válik. De velük ellentétben 4°C-on éri el a legnagyobb sűrűségű állapotot, majd mielőtt megfagyna, egyre kisebb sűrűségűvé válik.
Szilárd formában még mindig kisebb a sűrűsége, ezért úszik a szokásos jég a vízen. Ez az egyik oka annak, hogy a Földön virágzott az élet – ha a jég sűrűbb lenne, mint a víz, a tavak és az óceánok alulról felfelé fagynának be, szinte biztosan megakadályozva az életet lehetővé tevő kémiai folyamatokat.
Az 1960-as évek elején egy tanzániai diákról nevezték el a furcsa Mpemba-effektust, aki a szakácsórákon felfedezte, hogy a forró fagylaltkeverék gyorsabban megfagy, mint a hideg keverék. (Valójában ezt a hatást a történelem során számos tudós megfigyelte, köztük Arisztotelész, Francis Bacon és René Descartes.)
A Mpemba-effektus az a megfigyelés, hogy a meleg víz gyorsabban megfagy, mint a hideg. A hatást számos alkalommal megmérték, és számos magyarázatot adtak rá. Az egyik elképzelés szerint a meleg edények jobban érintkeznek a hűtőszekrénnyel, és így hatékonyabban vezetik a hőt. Ebből adódik a gyorsabb fagyás. Egy másik szerint a meleg víz gyorsan párolog, és mivel ez egy endoterm folyamat, lehűti a vizet, így az gyorsabban megfagy.
Ezek közül a magyarázatok közül egyik sem teljesen meggyőző, ezért az igazi magyarázat még mindig kérdéses.
Ma Xi Zhang a szingapúri Nanyang Technológiai Egyetemről és néhány haverja szolgáltat egyet. Ezek a srácok azt mondják, hogy az Mpemba-paradoxon a vizet összetartó különböző kötések egyedi tulajdonságainak eredménye.
Mi olyan furcsa a vízben lévő kötésekben? Egyetlen vízmolekula egy viszonylag nagy oxigénatomból áll, amely két kisebb hidrogénatomhoz kapcsolódik a szokásos kovalens kötésekkel.
De ha a vízmolekulákat összerakjuk, a hidrogénkötések is fontos szerepet kezdenek játszani. Ezek akkor jönnek létre, amikor az egyik molekula hidrogénje közel kerül a másik molekula oxigénjéhez, és kötődik hozzá.
A hidrogénkötések gyengébbek, mint a kovalens kötések, de erősebbek, mint a van der Waals-erők, amelyeket a gekkók falra mászáskor használnak.
A vegyészek már régóta tudják, hogy ezek fontosak. Például a víz forráspontja sokkal magasabb, mint más, hasonló molekulájú folyadékoké, mert a hidrogénkötések tartják össze.
Az utóbbi években azonban a kémikusok egyre inkább tudatában vannak a hidrogénkötések finomabb szerepének. Például a vízmolekulák a szűk kapillárisokban hidrogénkötések által összetartott láncokká alakulnak. Ez fontos szerepet játszik a fákban és a növényekben, ahol a vízpárolgás a levélhártyán keresztül hatékonyan húzza felfelé a vízmolekulák láncát a gyökerekből.
Most Xi és társai szerint a hidrogénkötések magyarázzák az Mpemba-effektust is. Kulcsötletük az, hogy a hidrogénkötések szoros kapcsolatba hozzák a vízmolekulákat, és amikor ez megtörténik, a molekulák közötti természetes taszítás miatt a kovalens O-H kötések megnyúlnak és energiát tárolnak.
De ahogy a folyadék felmelegszik, a hidrogénkötések megnyúlnak, és a vízmolekulák távolabb ülnek egymástól. Ez lehetővé teszi, hogy a kovalens molekulák ismét összezsugorodjanak és leadják energiájukat. A lényeg az, hogy ez a folyamat, amelynek során a kovalens kötések energiát adnak le, egyenértékű a lehűléssel.
Sőt, ez a hatás kiegészíti a hagyományos hűtési folyamatot. Tehát a meleg víznek gyorsabban kellene lehűlnie, mint a hideg víznek, mondják. És pontosan ez figyelhető meg az Mpemba-effektusban.
A srácok kiszámították a kiegészítő hűtőhatás nagyságát, és kimutatták, hogy pontosan ez magyarázza a megfigyelt különbségeket azokban a kísérletekben, amelyek a hideg és meleg víz eltérő lehűlési sebességét mérik.
Voila! Ez érdekes betekintés a víz összetett és rejtélyes tulajdonságaiba, amelyek még mindig álmatlan éjszakákat okoznak a kémikusoknak.
De bár Xi és társai ötlete meggyőző, nem egészen az az elméleti slam dunk, amelyre sok fizikusnak szüksége lenne a kérdés eldöntéséhez. Ez azért van, mert az új elméletnek nincs előrejelző ereje – legalábbis ebben a tanulmányban.
Xi-nek és társainak arra kell használniuk az elméletüket, hogy a víz egy olyan új tulajdonságát jósolják meg, amelyet a vízről szóló hagyományos gondolkodás nem. Például a megrövidült kovalens kötések a víz valamilyen mérhető tulajdonságát eredményezhetik, amely egyébként nem lenne jelen. Ennek a tulajdonságnak a felfedezése és mérése lenne a kegyelemdöfés, amire az elméletüknek szüksége van.
Míg tehát ezek a srácok talán megoldották a Mpemba-effektus rejtélyét, valószínűleg egy kicsit keményebben kell majd dolgozniuk, hogy mindenkit meggyőzhessenek. Mindazonáltal érdekes dolgok!
Hivatkozás: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradoxon