راز یخ زدن سریع تر آب گرم نسبت به سرد
تیمی از دانشمندان سنگاپوری بر این باورند که توانسته اند راز چرایی سریعتر یخ بستن آب داغ در مقایسه با آب سرد را کشف کنند.
به گزارش افکارنیوز ، اثر مپمبا از زمان ارسطو در یونان باستان شناخته شده بوده اما تاکنون دانشمندان در توضیح آن مشکل داشتند.
اکنون محققان دانشگاه فناوری نانیانگ دریافته اند که راز این اثر در ویژگیهای منحصربفرد پیوندهایی است که آب را در کنار هم قرار می دهند.
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 می بندد.
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 می شود و اینکه آب گرم سریعتر بخار شده که با سرد کردن آب، به سریعتر یخ زدن آن کمک می کند.
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 می شود. 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 می شود، به آن پیوسته و یک پیوند هیدورژنی ایجاد می کند.
این پیوندهای هیدروژنی هستند که به شیوه عجیبی رفتار کرده و توجه محققان را به خود جلب کرده اند.
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 ویژگی های عجیب آب بوده و آن را قادر به رسیدن به نقطه جوش بالاتر از مایعات دیگر با مولکولهای مشابه کرده اند.
دانشمندان به پژوهش در مورد نقش دقیق پیوندهای هیدروژنی پرداخته و اخیر دریافته اند که مولکولهای آب در مکعبهای کوچکی از چند زنجیره محدود شده و با پیوندهای اتمی به هم متصل هستند. این زنجیره های ریز هستند که به گیاه اجازه می دهد مولکولهای آب را از ریشه خود بالا بکشد.
اما اکنون محققان بر این باورند که این پیوندها می توانند 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 می شود.
از این رو با گرمتر شدن مایع و کشیده تر شدن پیوندهای هیدروژنی، مولکولهای آب دورتر از یکدیگر قرار می گیرند. با کوچکتر شدن مجدد مولکولها و از دست رفتن انرژی، مایع سرد می شود 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 شده اند که این توضیح در حال حاضر برای پیش بینی ویژگی های جدید آب که در اثر کمبود پیونهای کووالانسی ایجاد می شوند، قابل استفاده نبوده از این رو هنوز گام دیگری تا حل رضایت بخش این راز باقی است.
اکنون محققان دانشگاه فناوری نانیانگ دریافته اند که راز این اثر در ویژگیهای منحصربفرد پیوندهایی است که آب را در کنار هم قرار می دهند.
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 می بندد.
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 می شود و اینکه آب گرم سریعتر بخار شده که با سرد کردن آب، به سریعتر یخ زدن آن کمک می کند.
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 می شود. 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 می شود، به آن پیوسته و یک پیوند هیدورژنی ایجاد می کند.
این پیوندهای هیدروژنی هستند که به شیوه عجیبی رفتار کرده و توجه محققان را به خود جلب کرده اند.
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 ویژگی های عجیب آب بوده و آن را قادر به رسیدن به نقطه جوش بالاتر از مایعات دیگر با مولکولهای مشابه کرده اند.
دانشمندان به پژوهش در مورد نقش دقیق پیوندهای هیدروژنی پرداخته و اخیر دریافته اند که مولکولهای آب در مکعبهای کوچکی از چند زنجیره محدود شده و با پیوندهای اتمی به هم متصل هستند. این زنجیره های ریز هستند که به گیاه اجازه می دهد مولکولهای آب را از ریشه خود بالا بکشد.
اما اکنون محققان بر این باورند که این پیوندها می توانند 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 می شود.
از این رو با گرمتر شدن مایع و کشیده تر شدن پیوندهای هیدروژنی، مولکولهای آب دورتر از یکدیگر قرار می گیرند. با کوچکتر شدن مجدد مولکولها و از دست رفتن انرژی، مایع سرد می شود 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 شده اند که این توضیح در حال حاضر برای پیش بینی ویژگی های جدید آب که در اثر کمبود پیونهای کووالانسی ایجاد می شوند، قابل استفاده نبوده از این رو هنوز گام دیگری تا حل رضایت بخش این راز باقی است.
