Išsiaiškinta, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau už šaltą?

Kieta vandens forma (ledas) taip pat yra mažiau tanki už skystąvandenį. Būtent dėl šios priežasties ledas plūduriuoja vandens paviršiuje ir dėl tos pačios priežasties Žemėje yra gyvybė – jeigu ledas būtų tankesnis už vandenį, tai upės, ežerai ir jūros suledėtų nuo dugno į viršų, o tai taptų neįveikiama kliūtimi gyvybės cheminiams procesams.

Ir dar vandeniui būdingas keistasis Mpembos efektas, pavadintas smalsaus studento iš Tanzanijos vardu. Jis praėjusio amžiaus septintame dešimtmetyje kulinarijos pamokose pastebėjo, kad karštas valgomųjų ledų mišinys užšąla greičiau už šaltą. Tiesa, vargu ar Mpemba nusipelnė efekto pavadinimo jo vardu garbės, mat tą patį kur kas anksčiau buvo pastebėję ir Aristotelis, ir Francis Baconas, ir René Descartes, ir dar daugybė kitų mokslininkų.

Mpembos efektas – tai praktiškai stebimas reiškinys, kai karštas vanduo šaltoje aplinkoje į ledą sušąla greičiau nei šaltas. Šis reiškinys daugybę kartų matuotas ir įvairiai aiškintas. Vienas iš paaiškinimų – kad šilti indai sudaro geresnį šiluminį kontaktą su šaldikliais ir efektyviau mainosi energija, todėl indo turinys ir ataušta greičiau. Kitas paaiškinimas – šiltas vanduo labiau garuoja, o kadangi garavimas yra endoterminis procesas, jis prisideda prie šaldiklio poveikio ir vanduo bendromis pajėgomis sušaldomas greičiau.

Bet nė vienas iš šių paaiškinimų nėra labai įtikinamas, taigi, mokslininkai ir toliau ieškojo atsakymo į tūkstantmečių senumo klausimą.

Labai įtikinamą atsakymo variantą visai neseniai pateikė Singapūro Nanyang technologijų universiteto mokslininkas Xi Zhangas su kolegomis. Jie tikina, kad Mpembos paradoksas kyla dėl skirtingų jungčių, kuriomis tarpusavyje sąveikauja vandens molekulės, unikalių savybių.

Kuo gi ypatingos vandens molekulių jungtys? Vieną vandens molekulę sudaro santykinai didelis deguonies ir du maži vandenilio atomai, kurie prie deguonies jungiasi „standartiniais“ kovalentiniais ryšiais.

Bet vienoje vietoje esant didesniam kiekiui vandens molekulių ne mažiau svarbūs tampa ir vandeniliniai ryšiai, užsimezgantys vienos molekulės deguonies atomui priartėjus prie kitos molekulės vandenilio. Vandeniliniai ryšiai yra silpnesni už kovalentinius, bet stipresni už Van der Vaalso jėgas.

Vandenilinių ryšių svarba mokslininkams buvo žinoma jau seniai. Pavyzdžiui, vandens virimo temperatūra yra gerokai aukštesnė nei panašių molekulių, nes jas tarpusavy laiko vandeniliniai ryšiai.

Tačiau pastaraisiais metais vandenilinių ryšių svarba chemiją tyrinėjantiems mokslininkams tampa vis didesnė. Pavyzdžiui, vandens molekulės siauruose kapiliaruose išsirikiuoja į grandines, kuriose vandenilinės jungtys atlieka grandžių vaidmenį. Tai yra labai svarbu medžiams ir kitiems augalams, kuriuose vandens išgarinimas per lapų membranas kapiliarais traukia vandenį nuo pat šaknų.

X. Zhangas su kolegomis tikina, kad vandeniliniai ryšiai yra ir Mpembos efekto pagrindas. Jų idėjos esminė dalis – kad vandeniliniai ryšiai vandens molekules suartina, o kai taip nutinka, natūrali molekulių tarpusavio stūma ištempia kovalentinius deguonies ir vandenilio ryšiuose – šioje deformacijoje saugoma energija.

Tačiau skysčiams kaistant molekulės pradeda aktyviau judėti, išsitempia vandeniliniai ryšiai, o pavienės molekulės nutolsta viena nuo kitos. Dėl to kovalentiniai ryšiai grįžta į įprastinę būseną, atpalaiduodami energiją. Svarbu tai, kad procesas, kurio metu kovalentinės jungtys atpalaiduoja energiją, yra ekvivalentiškas aušimui.

Kovalentinių jungčių ištempimo energijos atpalaidavimo efektas sumuojasi su įprastiniu aušimu. Todėl šiltas vanduo turėtų suledėti greičiau už šaltą, sako mokslininkai.

Savo žodžius chemikai pagrindė teoriniais skaičiavimais – kiek karštas vanduo padidina sušalimo greitį – ir išsiaiškino, kad jis tiksliai atitinka eksperimentuose stebėtus suledėjimo greičio skirtumus.

Nors X. Zhango bei kolegų idėja skamba įtikinamai, tai dar nėra nepaneigiamas teorinis įrodymas, kuris patenkintų daugumą fizikų. Taip yra dėl to, kad naujoji teorija nepasižymi gebėjimu prognozuoti – bent jau publikuotame mokslo darbe tai neaprašoma.

X. Zhangas su kolegomis dar turės pritaikyti savo naująją teoriją naujų vandens savybių prognozavimui, kurių nenumato ligšiolinės žinios. Pavyzdžiui, pakitęs kovalentinių jungčių ilgis gali tapti kokios nors išmatuojamos vandens savybės, kuri nėra stebima kitokiomis sąlygomis, priežastimi. Jeigu tokia savybė būtų atrasta ir išmatuota, tai būtų pagrindinė teoriją patvirtinanti vinis.

Taigi, labai tikėtina, kad Mpembos efekto mįslė jau įminta, tačiau norint įminimą patvirtinti, teks dar šiek tiek paplušėti.