Aristotel a observat pentru prima dată că apa caldă îngheață mai repede decât cea rece, dar chimiștii s-au străduit întotdeauna să explice acest paradox. Până acum
Apa poate fi unul dintre cei mai abundenți compuși de pe Pământ, dar este și unul dintre cei mai misterioși. De exemplu, ca majoritatea lichidelor, ea devine mai densă pe măsură ce se răcește. Dar, spre deosebire de acestea, ea atinge o stare de densitate maximă la 4°C și apoi devine mai puțin densă înainte de a îngheța.
În formă solidă, ea este și mai puțin densă, motiv pentru care gheața standard plutește pe apă. Acesta este unul dintre motivele pentru care viața pe Pământ a înflorit – dacă gheața ar fi fost mai densă decât apa, lacurile și oceanele ar fi înghețat de jos în sus, împiedicând aproape cu siguranță tipul de chimie care face posibilă viața.
Apoi există ciudatul efect Mpemba, numit după un student tanzanian care a descoperit că un amestec fierbinte de înghețată îngheață mai repede decât un amestec rece în cadrul cursurilor de gătit la începutul anilor 1960. (De fapt, efectul a fost observat de mulți oameni de știință de-a lungul istoriei, inclusiv de Aristotel, Francis Bacon și René Descartes.)
Efectul Mpemba este observația conform căreia apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Efectul a fost măsurat în mai multe ocazii, cu multe explicații prezentate. O idee este că recipientele calde realizează un contact termic mai bun cu un frigider și astfel conduc căldura mai eficient. De aici și înghețarea mai rapidă. O alta este că apa caldă se evaporă rapid și, întrucât acesta este un proces endotermic, răcește apa făcând-o să înghețe mai repede.
Niciuna dintre aceste explicații nu este pe deplin convingătoare, motiv pentru care adevărata explicație este încă în discuție.
Astăzi Xi Zhang de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore și câțiva prieteni oferă una. Aceștia spun că paradoxul Mpemba este rezultatul proprietăților unice ale diferitelor legături care țin apa împreună.
Ce este atât de ciudat la legăturile din apă? O singură moleculă de apă constă dintr-un atom de oxigen relativ mare unit cu doi atomi de hidrogen mai mici prin legături covalente standard.
Dar puneți moleculele de apă laolaltă și legăturile de hidrogen încep, de asemenea, să joace un rol important. Acestea apar atunci când un hidrogen dintr-o moleculă se apropie de oxigenul din altă moleculă și se leagă de acesta.
Legăturile de hidrogen sunt mai slabe decât legăturile covalente, dar mai puternice decât forțele van der Waals pe care le folosesc geckosii pentru a urca pe pereți.
Chimiștii știu de mult timp că sunt importante. De exemplu, punctul de fierbere al apei este mult mai ridicat decât al altor lichide cu molecule similare, deoarece legăturile de hidrogen o mențin împreună.
Dar în ultimii ani, chimiștii au devenit din ce în ce mai conștienți de rolurile mai subtile pe care le pot juca legăturile de hidrogen. De exemplu, moleculele de apă din interiorul unor capilare înguste se formează în lanțuri ținute împreună de legături de hidrogen. Acest lucru joacă un rol important în cazul copacilor și al plantelor, unde evaporarea apei prin membrana unei frunze trage efectiv un lanț de molecule de apă în sus de la rădăcini.
Acum Xi și co spun că legăturile de hidrogen explică și efectul Mpemba. Ideea lor cheie este că legăturile de hidrogen aduc moleculele de apă în contact strâns și, atunci când se întâmplă acest lucru, repulsia naturală dintre molecule face ca legăturile covalente O-H să se întindă și să stocheze energie.
Dar, pe măsură ce lichidul se încălzește, forțează legăturile de hidrogen să se întindă și moleculele de apă se așează mai departe. Acest lucru permite moleculelor covalente să se micșoreze din nou și să renunțe la energia lor. Aspectul important este că acest proces în care legăturile covalente cedează energie este echivalent cu răcirea.
De fapt, efectul este suplimentar față de procesul convențional de răcire. Așadar, apa caldă ar trebui să se răcească mai repede decât apa rece, spun ei. Și asta este exact ceea ce se observă în efectul Mpemba.
Eștia au calculat magnitudinea efectului suplimentar de răcire și arată că acesta explică exact diferențele observate în experimentele care măsoară vitezele diferite de răcire a apei calde și reci.
Voila! Aceasta este o perspectivă interesantă asupra proprietăților complexe și misterioase ale apei, care încă le dau chimiștilor nopți nedormite.
Dar, deși ideea lui Xi și co este convingătoare, nu este chiar un slam dunk teoretic de care mulți fizicieni vor avea nevoie pentru a rezolva problema. Acest lucru se datorează faptului că noii teorii îi lipsește puterea de predicție – cel puțin în această lucrare.
Xi și co trebuie să folosească teoria lor pentru a prezice o nouă proprietate a apei pe care gândirea convențională despre apă nu o are. De exemplu, legăturile covalente scurtate ar putea da naștere unor proprietăți măsurabile ale apei care altfel nu ar fi prezente. Descoperirea și măsurarea acestei proprietăți ar fi lovitura de grație de care teoria lor are nevoie.
Deci, deși este posibil ca acești băieți să fi rezolvat enigma efectului Mpemba, probabil că vor trebui să muncească un pic mai mult pentru a convinge pe toată lumea. Cu toate acestea, lucruri interesante!
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: Relaxarea anormală a legăturii O:H-O Rezolvarea paradoxului Mpemba
: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox.