Aristoteles merkte voor het eerst op dat warm water sneller bevriest dan koud, maar chemici hebben altijd moeite gehad om de paradox te verklaren. Tot nu
Water mag dan een van de meest overvloedige verbindingen op aarde zijn, het is ook een van de meest mysterieuze. Net als de meeste vloeistoffen wordt het bijvoorbeeld dichter naarmate het afkoelt. Maar anders dan bij andere vloeistoffen bereikt het een maximale dichtheid bij 4°C en wordt dan minder dicht voordat het bevriest.
In vaste vorm is het nog minder dicht, en daarom drijft standaard ijs op water. Dat is een van de redenen waarom het leven op aarde tot bloei is gekomen – als ijs dichter zou zijn dan water, zouden meren en oceanen van onderaf bevriezen, waardoor vrijwel zeker het soort chemie zou worden verhinderd dat leven mogelijk maakt.
Dan is er nog het vreemde Mpemba-effect, genoemd naar een Tanzaniaanse student die in het begin van de jaren zestig tijdens kooklessen ontdekte dat een warme ijsmix sneller bevriest dan een koude mix. (In feite is het effect door de geschiedenis heen opgemerkt door vele wetenschappers, waaronder Aristoteles, Francis Bacon en René Descartes.)
Het Mpemba effect is de waarneming dat warm water sneller bevriest dan koud water. Het effect is bij vele gelegenheden gemeten en er zijn vele verklaringen voor naar voren gebracht. Eén idee is dat warme vaten beter thermisch contact maken met een koelkast en zo de warmte efficiënter geleiden. Vandaar het snellere bevriezen. Een andere is dat warm water snel verdampt en omdat dit een endotherm proces is, koelt het water af waardoor het sneller bevriest.
Geen van deze verklaringen is helemaal overtuigend, en daarom ligt de ware verklaring nog steeds voor het grijpen.
Dinsdag geven Xi Zhang van de Nanyang Technological University in Singapore en een paar makkers er een. Volgens hen is de Mpemba-paradox het gevolg van de unieke eigenschappen van de verschillende bindingen die water bijeenhouden.
Wat is er zo vreemd aan de bindingen in water? Een enkele watermolecule bestaat uit een relatief groot zuurstofatoom verbonden met twee kleinere waterstofatomen door standaard covalente bindingen.
Maar zet watermoleculen bij elkaar en waterstofbruggen beginnen ook een belangrijke rol te spelen. Deze treden op wanneer een waterstof in een molecuul in de buurt komt van de zuurstof in een ander molecuul en zich daaraan bindt.
Waterstofbruggen zijn zwakker dan covalente bindingen, maar sterker dan de van der Waals-krachten die gekko’s gebruiken om muren te beklimmen.
Chemici weten al lang dat ze belangrijk zijn. Het kookpunt van water ligt bijvoorbeeld veel hoger dan dat van andere vloeistoffen met soortgelijke moleculen, omdat waterstofbruggen het bij elkaar houden.
Maar de laatste jaren zijn chemici zich steeds meer bewust geworden van subtielere rollen die waterstofbruggen kunnen spelen. Zo vormen watermoleculen in nauwe haarvaten ketens die bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen. Dit speelt een belangrijke rol in bomen en planten, waar waterverdamping door een bladmembraan een keten van watermoleculen vanuit de wortels omhoog trekt.
Nu zeggen Xi en co dat waterstofbruggen ook het Mpemba effect verklaren. Hun belangrijkste idee is dat waterstofbruggen watermoleculen dicht bij elkaar brengen en wanneer dit gebeurt, zorgt de natuurlijke afstoting tussen de moleculen ervoor dat de covalente O-H-bindingen uitrekken en energie opslaan.
Maar wanneer de vloeistof opwarmt, dwingt dit de waterstofbruggen uit te rekken en gaan de watermoleculen verder uit elkaar zitten. Hierdoor kunnen de covalente moleculen weer krimpen en hun energie afstaan. Het belangrijke punt is dat dit proces waarbij de covalente bindingen energie afstaan, gelijk is aan afkoeling.
In feite is het effect aanvullend op het conventionele proces van afkoeling. Dus warm water zou sneller moeten afkoelen dan koud water, zeggen ze. En dat is precies wat wordt waargenomen in het Mpemba effect.
Deze jongens hebben de grootte van het additionele koelingseffect berekend en laten zien dat het precies de waargenomen verschillen verklaart in experimenten die de verschillende afkoelsnelheden van warm en koud water meten.
Voila! Dat is een interessant inzicht in de complexe en mysterieuze eigenschappen van water, die chemici nog steeds slapeloze nachten bezorgen. Maar hoewel het idee van Xi en co overtuigend is, is het niet helemaal de theoretische slam dunk die veel natuurkundigen nodig zullen hebben om de kwestie op te lossen. Dat komt omdat de nieuwe theorie geen voorspellende kracht heeft, althans niet in dit artikel. Xi en co moeten hun theorie gebruiken om een nieuwe eigenschap van water te voorspellen die het conventionele denken over water niet heeft. De verkorte covalente bindingen kunnen bijvoorbeeld leiden tot een meetbare eigenschap van het water die anders niet aanwezig zou zijn. De ontdekking en meting van deze eigenschap zou de coup de grâce zijn die hun theorie nodig heeft.
Dus deze jongens mogen dan wel het raadsel van het Mpemba effect hebben opgelost, ze zullen waarschijnlijk nog wat harder moeten werken om iedereen te overtuigen. Desalniettemin, interessant!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O band abnormale relaxatie die de Mpemba paradox oplost