Piękna prezentacja efektu Mpemby na Syberii

Mieszkaniec miasta Surgut na Syberii przy temperaturze minus 50 stopni szybkim ruchem ręki wylewa zawartość czajnika elektrycznego w powietrze. Na naszych oczach woda dosłownie wyparowuje, a więc następuje nagła zmiana stanu skupienia wody z ciekłego w gazowy.

Pozostała po wodzie chmura pary wodnej przez chwilkę jest pełna kryształków lodu. Zjawisko to nazywane jest efektem Mpemby, od nazwiska tanzańskiego studenta, który, jako pierwszy w czasach nowożytnych, zauważył je na początku lat 60. ubiegłego wieku.

Wcześniej uwagę na to zwrócił chociażby Arystoteles. Zaobserwował on, że podgrzana woda zamarza szybciej niż ta uprzednio schłodzona. Dlaczego tak się dzieje?

Aby szczegółowo wyjaśnić ten efekt, trzeba przyjrzeć się bliżej budowie molekularnej wody. Jej pojedyncza cząsteczka zawiera bowiem spory atom tlenu, do którego z pomocą wiązań kowalencyjnych przyłączone są dwa mniejsze atomy wodoru.

Jeśli jednak mamy więcej cząsteczek wody to zaczynają się one ze sobą zbijać w grupy z pomocą wiązań wodorowych. Wiązania te, które ostatnio po raz pierwszy dostrzeżono pod mikroskopem, są słabsze od wiązań kowalencyjnych.

Nie zmienia to faktu, że są one bardzo istotne, umożliwiają istnienie ziemskiego życia jakim znamy, bo to z ich pomocą tworzą się pewne struktury białek, kwasów nukleinowych i wielu innych złożonych substancji o ogromnym znaczeniu biologicznym. Właśnie dzięki nim woda ma dużo wyższą temperaturę wrzenia niż inne płyny.

I to właśnie wiązania wodorowe wyjaśniają efekt Mpemby. W normalnych warunkach bowiem wiązania te prowadzą do bliższego ściśnięcia cząsteczek wody, które zaczynają się odpychać, rozciągając tym samym wiązania kowalencyjne wodoru z tlenem, czyli gromadząc w nich energię.

Wraz z podgrzaniem wody wiązania wodorowe wydłużają się, wobec czego cząsteczki wody oddalają się od siebie i wiązania kowalencyjne oddają energię, przyspieszając schładzanie wody.

Singapurscy badacze z Nanyang Technological University obliczyli, o ile dokładnie powinno przyspieszyć schładzanie wody dzięki temu i potwierdzili to następnie w eksperymentach.