Mpemba-paradoxon: ha gyorsan akarsz jégkockát készíteni, így csináld!

Az úgynevezett Mpembe-paradoxon létezéséről nem folyik tudományos vita, számos kísérlet igazolta már. Először Arisztotelész figyelt fel a jelenségre – az ókori görög filozófus már több mint 2000 évvel ezelőtt arról számolt be, hogy a jéghalászok kifejezetten azért melegítik fel a vizet, hogy az gyorsabban fagyjon meg.

A jelenség végül mégsem Arisztotelészről, hanem a tanzániai Erasto Mpembáról kapta a nevét, aki 1963-ban, középiskolás évei alatt, vette észre, hogy a forró fagylaltkeverékek gyorsabban fagynak meg, mint a hidegek. Mpemba végül egy brit akadémikusnak, Dr. Denis G. Osborne-nak tette fel a kérdését:

„Ha veszünk két hasonló edényt azonos mennyiségű vízzel, az egyik 35 °C-os, a másik 100 °C-os, és betesszük őket a fagyasztóba, akkor az fagy meg először, amelyik 100 °C-ról indult. Miért?”

Bár Osborne nem tudott egyből választ adni a diák kérdésére, később reprodukálta Mpemba eredményeit, és 1969-ben társszerzőként írt vele egy tanulmányt, amelyben kifejtette a megfigyeléseiket.

A paradox jelenségre – hiába bizonyították több ízben is a valóságát – magyarázatot sokáig nem talált a tudományos világ, mígnem James Brownridge elő nem állt a következő gondolattal:

melegítés során megváltozik a szennyeződések jellege a vízben, ez pedig megváltoztatja a fagyáspontját.

Brownridge tanulmánya azt állítja, hogy a hatásnak valójában van kémiai magyarázata, ez pedig a következőképpen hangzik:

A vízmolekulák két hidrogén- és egy oxigénmolekulából állnak. Előbbiek erős kovalens kötéssel kapcsolódnak utóbbihoz. Normális esetben a kovalens kötések melegítés hatására "fellazulnak" és meghosszabbodnak, a vízben azonban a hidrogénkötések egyedi tulajdonságai miatt – vagyis az egyik vízmolekula hidrogénatomjai és a szomszédos molekula oxigénmolekulája közötti kölcsönhatása okán – éppen az ellenkezője történik. Ahogy a víztömeg energiát vesz fel, a hidrogénkötések megnyúlnak (és az egyes vízmolekulák eltávolodnak egymástól), de az egyes molekulákon belüli kovalens kötések rövidebbek és merevebbek lesznek; ugyanez történik, amikor a víz megfagy.

Tehát – kevésbé tudományosan megfogalmazva – a felmelegített víz molekuláris szinten jobban hasonlít a fagyott vízre, mint a kezdeti hidegebb víz.