Aristotele ha notato per primo che l’acqua calda congela più velocemente di quella fredda, ma i chimici hanno sempre lottato per spiegare il paradosso. Fino ad ora
L’acqua può essere uno dei composti più abbondanti sulla Terra, ma è anche uno dei più misteriosi. Per esempio, come la maggior parte dei liquidi, diventa più densa quando si raffredda. Ma a differenza di essi, raggiunge uno stato di massima densità a 4°C e poi diventa meno denso prima di congelare.
In forma solida, è ancora meno denso, motivo per cui il ghiaccio standard galleggia sull’acqua. Questo è uno dei motivi per cui la vita sulla Terra è fiorita – se il ghiaccio fosse più denso dell’acqua, i laghi e gli oceani si congelerebbero dal basso verso l’alto, impedendo quasi certamente il tipo di chimica che rende possibile la vita.
Poi c’è lo strano effetto Mpemba, dal nome di uno studente tanzaniano che ha scoperto che una miscela calda di gelato si congela più velocemente di una miscela fredda nelle lezioni di cucina nei primi anni ’60. (In realtà, l’effetto è stato notato da molti scienziati nel corso della storia, tra cui Aristotele, Francis Bacon e René Descartes.)
L’effetto Mpemba è l’osservazione che l’acqua calda congela più velocemente di quella fredda. L’effetto è stato misurato in molte occasioni con molte spiegazioni avanzate. Un’idea è che i contenitori caldi hanno un migliore contatto termico con un frigorifero e quindi conducono il calore in modo più efficiente. Da qui il congelamento più veloce. Un’altra è che l’acqua calda evapora rapidamente e poiché questo è un processo endotermico, raffredda l’acqua facendola congelare più rapidamente.
Nessuna di queste spiegazioni è del tutto convincente, motivo per cui la vera spiegazione è ancora in gioco.
Oggi Xi Zhang della Nanyang Technological University di Singapore e alcuni amici ne forniscono una. Questi ragazzi dicono che il paradosso di Mpemba è il risultato delle proprietà uniche dei diversi legami che tengono insieme l’acqua.
Cosa c’è di così strano nei legami dell’acqua? Una singola molecola d’acqua è costituita da un atomo di ossigeno relativamente grande unito a due atomi di idrogeno più piccoli da legami covalenti standard.
Ma metti insieme le molecole d’acqua e anche i legami a idrogeno iniziano a giocare un ruolo importante. Questi si verificano quando un idrogeno in una molecola si avvicina all’ossigeno in un’altra e si lega ad esso.
I legami a idrogeno sono più deboli dei legami covalenti ma più forti delle forze di van der Waals che i gechi usano per arrampicarsi sui muri.
I chimici sanno da tempo che sono importanti. Per esempio, il punto di ebollizione dell’acqua è molto più alto di altri liquidi di molecole simili perché i legami a idrogeno la tengono insieme.
Ma negli ultimi anni, i chimici sono diventati sempre più consapevoli dei ruoli più sottili che i legami a idrogeno possono svolgere. Per esempio, le molecole d’acqua all’interno di stretti capillari formano catene tenute insieme da legami a idrogeno. Questo gioca un ruolo importante negli alberi e nelle piante, dove l’evaporazione dell’acqua attraverso una membrana fogliare tira effettivamente una catena di molecole d’acqua verso l’alto dalle radici.
Ora Xi e co dicono che i legami a idrogeno spiegano anche l’effetto Mpemba. La loro idea chiave è che i legami a idrogeno portano le molecole d’acqua a stretto contatto e quando questo accade la repulsione naturale tra le molecole fa sì che i legami covalenti O-H si allunghino e immagazzinino energia.
Ma quando il liquido si scalda, costringe i legami a idrogeno ad allungarsi e le molecole d’acqua a sedersi più lontano. Questo permette alle molecole covalenti di restringersi di nuovo e cedere la loro energia. Il punto importante è che questo processo in cui i legami covalenti cedono energia è equivalente al raffreddamento.
In effetti, l’effetto è supplementare al processo convenzionale di raffreddamento. Quindi l’acqua calda dovrebbe raffreddarsi più velocemente di quella fredda, dicono. E questo è esattamente ciò che si osserva nell’effetto Mpemba.
Questi ragazzi hanno calcolato l’entità dell’effetto di raffreddamento aggiuntivo e dimostrano che spiega esattamente le differenze osservate negli esperimenti che misurano le diverse velocità di raffreddamento dell’acqua calda e fredda.
Voila! Questa è un’interessante intuizione sulle complesse e misteriose proprietà dell’acqua, che danno ancora ai chimici notti insonni.
Ma anche se l’idea di Xi e soci è convincente, non è proprio lo slam dunk teorico che molti fisici richiedono per risolvere la questione. Questo perché la nuova teoria manca di potere predittivo, almeno in questo articolo.
Xi e co. devono usare la loro teoria per prevedere una nuova proprietà dell’acqua che il pensiero convenzionale sull’acqua non prevede. Per esempio, i legami covalenti accorciati potrebbero dare origine a qualche proprietà misurabile dell’acqua che altrimenti non sarebbe presente. La scoperta e la misurazione di questa proprietà sarebbe il colpo di grazia di cui la loro teoria ha bisogno.
Quindi, mentre questi ragazzi potrebbero aver risolto l’enigma dell’effetto Mpemba, probabilmente dovranno lavorare un po’ di più per convincere tutti. Tuttavia, roba interessante!
Rif: arxiv.org/abs/1310.6514: Rilassamento anomalo del legame O:H-O che risolve il paradosso di Mpemba
.