Aristóteles primeiro notou que a água quente congela mais rápido que o frio, mas os químicos sempre se esforçaram para explicar o paradoxo. Até agora
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A água pode ser um dos compostos mais abundantes na Terra, mas é também um dos mais misteriosos. Por exemplo, como a maioria dos líquidos, ela se torna mais densa à medida que esfria. Mas ao contrário deles, atinge um estado de densidade máxima a 4°C e depois torna-se menos denso antes de congelar.
Em forma sólida, é menos denso ainda, razão pela qual o gelo padrão flutua na água. Essa é uma razão pela qual a vida na Terra tem florescimento – se o gelo fosse mais denso que a água, lagos e oceanos congelariam de baixo para cima, quase certamente impedindo o tipo de química que torna a vida possível.
Então existe o estranho efeito Mpemba, com o nome de um estudante tanzaniano que descobriu que uma mistura de sorvete quente congela mais rápido que uma mistura fria nas aulas de culinária no início dos anos 60. (Na verdade, o efeito tem sido observado por muitos cientistas ao longo da história, incluindo Aristóteles, Francis Bacon e René Descartes.)
O efeito Mpemba é a observação de que a água quente congela mais rapidamente do que a fria. O efeito tem sido medido em muitas ocasiões com muitas explicações apresentadas. Uma idéia é que os recipientes quentes fazem melhor contato térmico com um refrigerador e assim conduzem o calor de forma mais eficiente. Daí o congelamento mais rápido. Outra é que a água quente evapora rapidamente e como este é um processo endotérmico, ela resfria a água fazendo-a congelar mais rapidamente.
Nenhuma destas explicações é inteiramente convincente, e é por isso que a verdadeira explicação ainda está para ser obtida.
Today Xi Zhang na Universidade Tecnológica de Nanyang em Singapura e alguns amigos fornecem uma. Esses caras dizem que o paradoxo de Mpemba é o resultado das propriedades únicas dos diferentes laços que mantêm a água unida.
O que há de tão estranho nos laços na água? Uma única molécula de água consiste de um átomo de oxigênio relativamente grande unido a dois átomos menores de hidrogênio por ligações covalentes padrão.
Mas colocar moléculas de água juntas e as ligações de hidrogênio também começam a desempenhar um papel importante. Estas ocorrem quando o hidrogênio de uma molécula se aproxima do oxigênio de outra e se liga a ela.
As ligações de hidrogênio são mais fracas que as ligações covalentes, mas mais fortes que as forças van der Waals que os geckos usam para escalar paredes.
Os químicos sabem há muito tempo que são importantes. Por exemplo, o ponto de ebulição da água é muito mais elevado do que outros líquidos de moléculas semelhantes, porque as ligações de hidrogênio as mantêm unidas.
Mas nos últimos anos, os químicos têm se tornado cada vez mais conscientes de papéis mais sutis que as ligações de hidrogênio podem desempenhar. Por exemplo, moléculas de água dentro de capilares estreitos se formam em cadeias mantidas juntas por ligações de hidrogênio. Isto desempenha um papel importante em árvores e plantas onde a evaporação da água através de uma membrana da folha puxa eficazmente uma cadeia de moléculas de água das raízes.
Agora Xi e co dizem que as ligações de hidrogénio também explicam o efeito Mpemba. Sua idéia chave é que as ligações de hidrogênio levam as moléculas de água a um contato próximo e quando isso acontece a repulsão natural entre as moléculas faz com que as covalentes ligações O-H se estiquem e armazenem energia.
Mas conforme o líquido aquece, ele força as ligações de hidrogênio a se esticarem e as moléculas de água ficam mais afastadas. Isto permite que as moléculas covalentes encolham novamente e desistam da sua energia. O ponto importante é que este processo no qual as ligações covalentes desistem de energia é equivalente ao resfriamento.
Na verdade, o efeito é adicional ao processo convencional de resfriamento. Portanto, a água quente deve esfriar mais rápido do que a água fria, dizem eles. E é exatamente isso que é observado no efeito Mpemba.
Estes caras calcularam a magnitude do efeito de resfriamento adicional e mostram que ele explica exatamente as diferenças observadas em experimentos que medem as diferentes taxas de resfriamento de água quente e fria.
Voila! Essa é uma visão interessante das complexas e misteriosas propriedades da água, que ainda dão aos químicos noites sem dormir.
Mas enquanto a idéia de Xi e companhia é convincente, não é bem o afundamento teórico que muitos físicos precisarão para resolver a questão. Isso porque a nova teoria não tem poder de previsão – pelo menos neste artigo.
Xi e co precisam usar sua teoria para prever uma nova propriedade da água que o pensamento convencional sobre a água não tem. Por exemplo, as ligações covalentes encurtadas podem dar origem a alguma propriedade mensurável da água que de outra forma não estaria presente. A descoberta e medida desta propriedade seria o golpe de misericórdia que sua teoria precisa.
Então, embora estes caras possam ter resolvido o enigma do efeito Mpemba, eles provavelmente precisarão trabalhar um pouco mais para convencer a todos. Mesmo assim, coisas interessantes!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Relaxamento Anomaloso da Ligação Resolvendo o Paradoxo de Mpemba