Aristóteles notó por primera vez que el agua caliente se congela más rápido que la fría, pero los químicos siempre han luchado por explicar la paradoja. Hasta ahora
El agua puede ser uno de los compuestos más abundantes de la Tierra, pero también es uno de los más misteriosos. Por ejemplo, como la mayoría de los líquidos, se vuelve más denso al enfriarse. Pero, a diferencia de ellos, alcanza un estado de máxima densidad a 4°C y luego se vuelve menos densa antes de congelarse.
En forma sólida, es menos densa aún, razón por la cual el hielo estándar flota sobre el agua. Esta es una de las razones por las que la vida en la Tierra ha florecido: si el hielo fuera más denso que el agua, los lagos y los océanos se congelarían de abajo arriba, impidiendo casi con toda seguridad el tipo de química que hace posible la vida.
Luego está el extraño efecto Mpemba, llamado así por un estudiante tanzano que descubrió que una mezcla de helado caliente se congela más rápido que una mezcla fría en clases de cocina a principios de los años sesenta. (De hecho, el efecto ha sido observado por muchos científicos a lo largo de la historia, incluidos Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes.)
El efecto Mpemba es la observación de que el agua caliente se congela más rápidamente que el agua fría. El efecto se ha medido en muchas ocasiones y se han propuesto muchas explicaciones. Una idea es que los recipientes calientes hacen mejor contacto térmico con un refrigerador y así conducen el calor más eficientemente. De ahí que la congelación sea más rápida. Otra es que el agua caliente se evapora rápidamente y, como se trata de un proceso endotérmico, enfría el agua haciendo que se congele más rápidamente.
Ninguna de estas explicaciones es del todo convincente, por lo que la verdadera explicación sigue en el aire.
Hoy Xi Zhang, de la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur, y unos cuantos compañeros aportan una. Estos chicos dicen que la paradoja de Mpemba es el resultado de las propiedades únicas de los diferentes enlaces que mantienen el agua unida.
¿Qué tienen de raro los enlaces del agua? Una sola molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno relativamente grande unido a dos átomos de hidrógeno más pequeños mediante enlaces covalentes estándar.
Pero si se juntan las moléculas de agua, los enlaces de hidrógeno también empiezan a desempeñar un papel importante. Éstos se producen cuando un hidrógeno de una molécula se acerca al oxígeno de otra y se une a él.
Los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces covalentes, pero más fuertes que las fuerzas de Van der Waals que los gecos utilizan para trepar por las paredes.
Los químicos saben desde hace tiempo que son importantes. Por ejemplo, el punto de ebullición del agua es mucho más alto que el de otros líquidos de moléculas similares porque los enlaces de hidrógeno la mantienen unida.
Pero en los últimos años, los químicos son cada vez más conscientes del papel más sutil que pueden desempeñar los enlaces de hidrógeno. Por ejemplo, las moléculas de agua en el interior de capilares estrechos forman cadenas unidas por enlaces de hidrógeno. Esto desempeña un papel importante en los árboles y las plantas, donde la evaporación del agua a través de la membrana de la hoja arrastra una cadena de moléculas de agua desde las raíces.
Ahora Xi y compañía dicen que los enlaces de hidrógeno también explican el efecto Mpemba. Su idea clave es que los enlaces de hidrógeno hacen que las moléculas de agua entren en estrecho contacto y, cuando esto ocurre, la repulsión natural entre las moléculas hace que los enlaces covalentes O-H se estiren y almacenen energía.
Pero a medida que el líquido se calienta, obliga a los enlaces de hidrógeno a estirarse y las moléculas de agua se separan más. Esto permite que las moléculas covalentes vuelvan a encogerse y cedan su energía. Lo importante es que este proceso en el que los enlaces covalentes ceden energía es equivalente al enfriamiento.
De hecho, el efecto es adicional al proceso convencional de enfriamiento. Así que el agua caliente debería enfriarse más rápido que el agua fría, dicen. Y eso es exactamente lo que se observa en el efecto Mpemba.
Estos chicos han calculado la magnitud del efecto de enfriamiento adicional y muestran que explica exactamente las diferencias observadas en los experimentos que miden las diferentes velocidades de enfriamiento del agua caliente y fría.
¡Voila! Se trata de una interesante visión de las complejas y misteriosas propiedades del agua, que siguen dando noches de insomnio a los químicos.
Pero aunque la idea de Xi y compañía es convincente, no es el golpe de efecto teórico que muchos físicos necesitarán para resolver la cuestión. Esto se debe a que la nueva teoría carece de capacidad de predicción, al menos en este trabajo.
Xi y sus colaboradores necesitan utilizar su teoría para predecir una nueva propiedad del agua que el pensamiento convencional sobre el agua no contempla. Por ejemplo, los enlaces covalentes acortados podrían dar lugar a alguna propiedad medible del agua que de otro modo no estaría presente. El descubrimiento y la medición de esta propiedad sería el golpe de gracia que necesita su teoría.
Así que aunque estos chicos pueden haber resuelto el enigma del efecto Mpemba, probablemente tendrán que trabajar un poco más para convencer a todo el mundo. No obstante, ¡qué interesante!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: Relajación anómala del enlace O:H-O que resuelve la paradoja de Mpemba