Когато пълним формата за лед, повечето от нас източваме водата, за да потече възможно най-ледената. Правим това, защото вярваме, че така ще получим лед малко по-бързо. Какво би станало обаче ако във формата за лед на любимия ни фризер Либхер сложим топла, вместо студена вода? Не сте си и мислели, че тя ще замръзне по-бързо, нали?
Нека видим какво се крие зад тази интересна загадка…
Водата може и да е едно от най-разпространените съединения на земята, но също така е и едно от най-загадъчните. Нека вземем за пример факта, че повечето течности стават по-плътни при охлаждане и замразяване. Но за разлика от тях, водата достига до състояние на максимална плътност при 4°C, след което плътността ѝ започва да намалява, преди да замръзне.
В твърда форма тя има по-малка плътност, което е и причината ледниците да плават върху повърхността на океаните. Това е и основна причина за живота на земята, защото ако ледът беше по-плътен от водата, езерата и океаните щяха да замръзват от долу нагоре или иначе казано от дъното към повърхността, а това е сигурна рецепта за унищожаване на необходимата околна среда, която прави живота възможен. Днес този ефект най-накрая има логично обяснение.
Но нека започнем с предисторията и да видим от къде започва пътя на т.нар. Мпемба ефект. В началото на 60-те години на миналия век един никому неизвестен студент от Танзания Мпемба, без да иска открива нещо, за което още Аристотел е подозирал, а именно че горещата вода замръзва по-бързо от студената.
Как обаче този младеж забелязал това явление?
Всъщност, нещата са доста простички: по време на готварски курсове Мпемба забелязва, че топлият му сладоледен микс замръзва по-бързо от студения.
Разбира се, студентът не открива топлата вода както се казва. За този ефект се е подозирало още от далечни времена и не само от Аристотел, но и по-късно от Франсис Бейкън и Рене Декарт, които обаче не успели да го обяснят научно.
Ефектът е наречен на студента, тъй като той не го е подминал с лека ръка, въпреки присмеха на преподавателите му по въпроса, а се е задълбочил да го наблюдава и изследва. Съществуват множество обяснения за ефекта Мпемба.
Една от идеите е, че топлите съдове правят по-добър топлинен контакт с хладилника и така провеждат топлината по-ефективно и от това следва по-бързото замразяване. Друга теория пък предполага, че топлата вода се изпарява по-бързо и тъй като това е ендотермичен процес в резултат на който се намалява обема на водата, това води и до по-бързото ѝ замразяване.
Нито едно от тези обяснения не било напълно убедително, тъй като въпросния ефект се проявявал и въпреки тях. И докато това странно поведение на водата било наблюдавано, записвано и обсъждано от видни мислители и обикновени студенти в продължение на години, никой не е работил чисто научно, за да открие причините топлата вода да замръзва по-бързо от студената. До сега…
Екип от учени от Сингапур обаче смята, че е разрешил тази интересна мистерия.
Те предоставили убедителни аргументи за причините водещи до това поведение на водата. Според тях Мпемба ефектът е резултат от уникалните свойства на молекулите и връзките между тях, образуващи водата.
В какво всъщност се състои процеса?
Ако налеем две чаши с вода – едната почти вряла, а другата от чешмата, логично е да си помислим, че ако ги сложим във фризера, за да замръзнат на първата ще ѝ трябва време, за да стигне до температурата на втората (хладката) + времето на хладката за замръзване. Това, което не осъзнаваме е, че топлата вода има съвсем различни свойства и характеристики от водата по принцип.
Учените от Сингапур смятат, че водородните връзки обясняват ефекта Мпемба, който се проявява при определени условия и третиране на водата (в случая с топлина и студ).
Всяка молекула вода се състои от два водородни атома, свързани ковалентно и един атом кислород. При тази комбинация и при определени условия водородните връзки започват да играят все по-важна роля – те са с по-слаби ковалентни връзки, но по-силни от силите на Ван дер Ваалс.
Причина за това е, че затоплянето на течността принуждава водородните връзки да се разтягат и така водните молекули се отдалечават една от друга. Това пък от своя страна позволява на молекулите свързани чрез ковалентни връзки да се свият отново и така да отделят енергия (снимката отгоре). Процесът, в който ковалентните връзки освобождават тази енергия може спокойно да оприличим на охлаждане.
В действителност, този ефект е свързан с конвенционалния процес на охлаждане на водата, при който попаднала в хладилника, по-топлата се охлажда по-бързо от студената. Точно това се наблюдава и при ефекта Мпемба.
Това беше още един интересен поглед върху сложните и загадъчни свойства на водата, които и до днес осигуряват безсънни нощи на химици и физици.
Важно: съветваме ви да не опитвате този експеримент със стъклени съдове (чаши, купи, тави), тъй като могат да се спукат във фризера.
Референции: http://arxiv.org/abs/1310.6514
