Arystoteles pierwszy zauważył, że gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, ale chemicy zawsze zmagali się z wyjaśnieniem tego paradoksu. Aż do teraz
Woda może być jednym z najbardziej obfitych związków na Ziemi, ale jest również jednym z bardziej tajemniczych. Na przykład, jak większość cieczy staje się gęstsza, gdy się ochładza. Ale w przeciwieństwie do nich osiąga stan maksymalnej gęstości w temperaturze 4°C, a następnie staje się mniej gęsta, zanim zamarznie.
W postaci stałej jest jeszcze mniej gęsta, dlatego standardowy lód unosi się na wodzie. To jeden z powodów, dla których życie na Ziemi rozkwitło – gdyby lód był gęstszy od wody, jeziora i oceany zamarzłyby od dołu do góry, prawie na pewno uniemożliwiając chemię, która czyni życie możliwym.
Jest też dziwny efekt Mpemby, nazwany tak na cześć tanzańskiego studenta, który odkrył, że gorąca mieszanka lodów zamarza szybciej niż zimna mieszanka na zajęciach z gotowania we wczesnych latach 60-tych. (W rzeczywistości, efekt został zauważony przez wielu naukowców w całej historii, w tym Arystotelesa, Francisa Bacona i René Descartes.)
Efekt Mpemba jest obserwacja, że ciepła woda zamarza szybciej niż zimna woda. Efekt ten został zmierzony przy wielu okazjach, a wiele wyjaśnień zostało przedstawionych. Jednym z pomysłów jest to, że ciepłe pojemniki mają lepszy kontakt termiczny z lodówką i dlatego przewodzą ciepło bardziej efektywnie. Stąd szybsze zamarzanie. Innym jest to, że ciepła woda gwałtownie paruje, a ponieważ jest to proces endotermiczny, ochładza wodę, przez co szybciej zamarza.
Żadne z tych wyjaśnień nie jest do końca przekonujące, dlatego też prawdziwe wyjaśnienie jest wciąż do wzięcia.
Dzisiaj Xi Zhang z Nanyang Technological University w Singapurze i kilku kumpli dostarczają jedno z nich. Ci ludzie twierdzą, że paradoks Mpemby jest wynikiem unikalnych właściwości różnych wiązań, które trzymają wodę razem.
Co jest takiego dziwnego w wiązaniach w wodzie? Pojedyncza cząsteczka wody składa się z relatywnie dużego atomu tlenu połączonego z dwoma mniejszymi atomami wodoru przez standardowe wiązania kowalencyjne.
Ale umieść cząsteczki wody razem i wiązania wodorowe również zaczynają odgrywać ważną rolę. Występują one, gdy wodór w jednej cząsteczce zbliża się do tlenu w innej i wiąże się z nim.
Wiązania wodorowe są słabsze niż wiązania kowalencyjne, ale silniejsze niż siły van der Waalsa, których gekony używają do wspinania się po ścianach.
Chemicy od dawna wiedzą, że są one ważne. Na przykład, temperatura wrzenia wody jest znacznie wyższa niż w innych cieczach o podobnych cząsteczkach, ponieważ wiązania wodorowe trzymają ją razem.
Ale w ostatnich latach chemicy stają się coraz bardziej świadomi bardziej subtelnych ról, jakie mogą odgrywać wiązania wodorowe. Na przykład, cząsteczki wody wewnątrz wąskich naczyń włosowatych tworzą łańcuchy utrzymywane razem przez wiązania wodorowe. Odgrywa to ważną rolę w drzewach i roślinach, gdzie parowanie wody przez membranę liścia skutecznie ciągnie łańcuch cząsteczek wody w górę od korzeni.
Teraz Xi i co mówią, że wiązania wodorowe również wyjaśniają efekt Mpemba. Ich kluczowym pomysłem jest to, że wiązania wodorowe sprowadzają cząsteczki wody do bliskiego kontaktu i kiedy to się dzieje, naturalne odpychanie między cząsteczkami powoduje, że kowalencyjne wiązania O-H rozciągają się i przechowują energię.
Ale jak ciecz się rozgrzewa, zmusza wiązania wodorowe do rozciągania się i cząsteczki wody siedzą dalej od siebie. To pozwala kowalencyjne cząsteczki do kurczenia się ponownie i oddać swoją energię. Ważnym punktem jest to, że ten proces, w którym wiązania kowalencyjne oddają energię jest równoważny z chłodzeniem.
W rzeczywistości efekt ten jest dodatkowy do konwencjonalnego procesu chłodzenia. Więc ciepła woda powinna chłodzić się szybciej niż zimna, mówią. I to jest dokładnie to, co obserwuje się w efekcie Mpemby.
Ci faceci obliczyli wielkość dodatkowego efektu chłodzenia i pokazują, że dokładnie odpowiada on za obserwowane różnice w eksperymentach, które mierzą różne szybkości chłodzenia ciepłej i zimnej wody.
Voila! To interesujący wgląd w złożone i tajemnicze właściwości wody, które wciąż dają chemikom bezsenne noce.
Ale podczas gdy pomysł Xi i spółki jest przekonujący, nie jest to całkiem teoretyczny slam dunk, którego wielu fizyków będzie wymagało, aby rozstrzygnąć tę kwestię. Dzieje się tak, ponieważ nowej teorii brakuje mocy predykcyjnej – przynajmniej w tym artykule.
Xi i spółka muszą użyć swojej teorii, aby przewidzieć nową właściwość wody, której konwencjonalne myślenie o wodzie nie przewiduje. Na przykład, skrócenie wiązań kowalencyjnych może dać początek pewnej mierzalnej właściwości wody, która w przeciwnym razie nie byłaby obecna. Odkrycie i zmierzenie tej właściwości byłoby coup de grâce, którego ich teoria potrzebuje.
Tak więc, podczas gdy ci faceci mogli rozwiązać zagadkę efektu Mpemby, prawdopodobnie będą musieli popracować trochę ciężej, aby przekonać wszystkich. Niemniej jednak, interesujące rzeczy!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514.