راز یخ زدن سریع‌تر آب گرم نسبت به سرد

تیمی از دانشمندان سنگاپوری بر این باورند که توانسته‌اند راز چرایی سریعتر یخ بستن آب داغ در مقایسه با آب سرد را کشف کنند

کد خبر: ۴۴۴۳۸

تاریخ: ۱۲ آبان ۱۳۹۲ - ۱۵:۳۹

به گزارش ایران اکونومیست, اثر مپمبا از زمان ارسطو در یونان باستان شناخته شده بوده اما تاکنون دانشمندان در توضیح آن مشکل داشتند.

اکنون محققان دانشگاه فناوری نانیانگ دریافته‌اند که راز این اثر در ویژگیهای منحصربفرد پیوندهایی است که آب را در کنار هم قرار می‌دهند.

اثر مپمبا نام خود را از یک دانشجوی تانزانیایی گرفته که در دهه ۱۹۶۰ پس از شرکت در کلاسهای آشپزی دریافت که بستنی داغ سریعتر از بستنی سرد یخ می‌بندد.

اما رفتار عجیب آب یخزده در طول تاریخ نظر متفکرانی همچون ارسطو و دکارت را بخود جلب کرده است.

دانشمندان پیش از این تلاش کرده بودند که این اثر را توضیح دهند و نظریات آنها بر این اساس بود که ظروف گرم قادر به ایجاد تماس حرارتی بهتری با فریزر بوده که به هدایت سریعتر گرما منجر می‌شود و اینکه آب گرم سریعتر بخار شده که با سرد کردن آب، به سریعتر یخ زدن آن کمک می‌کند.

اما پژوهش جدید محققان سنگاپوری نشان داده دلیل اثر مپمبا به ویژگیهای منحصربفرد پیوندهای مولکولی آب مرتبط است.

یک مولکول آب از ترکیب یک اتم بزرگ اکسیژن و دو اتم هیدروژن با پیوند کووالانسی ساخته می‌شود. پیوند کووالانسی یک پیوند شیمیایی است که شامل تشریک دو جفت الکترون بین اتمها است.

اما زمانیکه یک اتم هیدروژن در یک مولکول به یک اتم اکسیژن در مولکول دیگر آب نزدیک می‌شود، به آن پیوسته و یک پیوند هیدورژنی ایجاد می‌کند.

این پیوندهای هیدروژنی هستند که به شیوه عجیبی رفتار کرده و توجه محققان را به خود جلب کرده‌اند.

جالب اینجاست در حالی که پیوندهای هیدروژنی بطور کلی از پیوندهای کووالانسی ضعیفترند، اما از «نیروی واندروالس» که نیروهای جاذب بین مولکولها بجز نیروی پیوندهای کووالانسی است، قویتر هستند.

شیمیدانان از مدتها قبل تردید داشتند که پیوندهای هیدروژنی مسبب برخی از ویژگی‌های عجیب آب بوده و آن را قادر به رسیدن به نقطه جوش بالاتر از مایعات دیگر با مولکولهای مشابه کرده‌اند.

دانشمندان به پژوهش در مورد نقش دقیق پیوندهای هیدروژنی پرداخته و اخیر دریافته‌اند که مولکولهای آب در مکعبهای کوچکی از چند زنجیره محدود شده و با پیوندهای اتمی به هم متصل هستند. این زنجیره‌های ریز هستند که به گیاه اجازه می‌دهد مولکولهای آب را از ریشه خود بالا بکشد.

اما اکنون محققان بر این باورند که این پیوندها می‌توانند اثر مپمبا را توضیح دهند؛ به هم پیوستن مولکولهای آب با پیوندهای هیدروژنی منجر به یک دافعه طبیعی بین مولکولها و کشیده شدن پیونهای کووالانسی بین پیوندهای هیدروژن و اکسیژن در کنار ذخیره انرژی در آنها می‌شود.

از این رو با گرمتر شدن مایع و کشیده‌تر شدن پیوندهای هیدروژنی، مولکولهای آب دورتر از یکدیگر قرار می‌گیرند. با کوچکتر شدن مجدد مولکولها و از دست رفتن انرژی، مایع سرد می‌شود که به گفته دانشمندان به معنی سرد شدن سریعتر آب گرم نسبت به آب سرد و توضیج اثر مپمبا است.

شیمیدانان برای تائید نظریه خود، اندازه خنک شدن اضافی ناشی از فعالیت مولکولی را محاسبه کرده و نشان دادند که این دلیل تفاوت مشاهده شده بین یخ زدن آب سرد و گرم در آزمایشات است.

اگرچه برخی فیزیکدانان متوجه شده‌اند که این توضیح در حال حاضر برای پیش‌بینی ویژگی‌های جدید آب که در اثر کمبود پیونهای کووالانسی ایجاد می‌شوند، قابل استفاده نبوده از این رو هنوز گام دیگری تا حل رضایت‌بخش این راز باقی است.