Siarczysty mróz? Weź udział w eksperymencie

Gdy temperatura spada poniżej minus 15 stopni nadarzają się wyśmienite warunki do przeprowadzenia kilku ciekawych eksperymentów, wymagających ekstremalnie niskiej temperatury, nie za częstej w naszym kraju.

Wystarczy tylko zagotować wodę, następnie błyskawicznie przelać wrzątek do kubka i szybkim ruchem ręki wylać jego zwartość w powietrze, tak jak możecie to zobaczyć na poniższych filmikach. Uważajcie jednak, żeby nie wylać wrzątku na siebie.

Co się wówczas dzieje tak niezwykłego? Na naszych oczach woda dosłownie wyparowuje, a więc następuje zmiana jej stanu skupienia z ciekłego w gazowy. Pozostała po wodzie chmura przez chwilkę jest pełna kryształków lodowych.

Zjawisko to nazywane jest efektem Mpemby, od nazwiska tanzańskiego studenta, który, jako pierwszy w czasach nowożytnych, opisał je na początku lat 60. ubiegłego wieku. Wcześniej uwagę na to zwrócił chociażby Arystoteles, ale nie zdołał go wyjaśnić.

Zaobserwował on, że podgrzana woda zamarza szybciej niż ta uprzednio schłodzona. 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. A najpopularniejszy eksperyment dotyczący efektu Mpemby każdy z Was może przeprowadzić samemu, do czego zachęcamy w mroźne dni.