Jak mrzne horká voda? Hledání odpovědi trvá už stovky let

Profesor makromolekulární chemie Miloslav Raab ve své knize Molekulární kuchyně popisuje zajímavou anomálii vody: když se dá do mrazáku ve stejný okamžik horká a chladná voda, tak z té teplejší se utvoří led dříve. Do redakce Meteoru však dorazila reklamace. Posluchač František Vařacha pokus vyzkoušel, ale se zcela opačným výsledkem. První mu zmrzla studená voda, tak, jak bychom selským rozumem očekávali.

Aristoteles, Descartes, Mpemba, Bregović...

„Tím se zařadil do dlouhé a prestižní řady badatelů i amatérů, která se zabývá tímto jevem. Začíná Aristotelem, pokračuje Descartem a zahrnuje i špičkové fyzikální chemiky,“ chválí posluchače Miloslav Raab a dodává, že popisovaný jev lidé znali samozřejmě dávno před zmiňovanými mysliteli a vědci.

„Aristoteles uvádí, že obyvatelé provincie Pontus (na severu dnešního Turecka) loví v zimě ryby otvory v ledu. Hroty oštěpů upevňují na násady poléváním teplou vodou. Věděli, že teplá voda zmrzne rychleji. To bylo nějakých dvě stě padesát let před Kristem.“

Skutečnost, že teplá voda mrzne rychleji než studená, se dnes nazývá Mpembův efekt na počest Erastona Mpemby z Tanzánie. Ten si jevu všiml jako student v roce 1963. O několik let později o něm publikoval spolu s dr. Denisem Osbornem odborný článek, který dodnes budí velkou pozornost.

„V roce 2012 britská královská chemická společnost vypsala cenu tisíc liber jednotlivci nebo týmu, který nabídne nejlepší nebo nejvíce tvůrčí vysvětlení Mpembova jevu. Sešlo se neuvěřitelných 22 000 odpovědí. Cena byla udělena 10. ledna 2013. Získal ji Nikola Bregović, vědecký asistent katedry chemie na univerzitě v Záhřebu,“ říká Miloslav Raab.

Chladná voda klesá ke dnu. Ale jen do určité chvíle

Bregovičovo vysvětlení počítá s tím, že při pokusu vložíme nádoby s vodou do mrazáku. Nejprve se budou ochlazovat stěny nádoby. Voda vlivem rozdílů teplot začne v nádobě proudit, popisuje Jan Havlík z VŠCHT, který Bregovičův vítězný experiment prostudoval.

„Voda se ochlazuje a klesá podél stěn dolů. Uvnitř nádoby je voda teplejší, a protože je lehčí, tak stoupá navrch. Vzniká vír, který umožňuje snadnější přenos tepla zevnitř nádoby do jejího okolí. Samovolně se to promíchává.“

Promíchávání takto pokračuje až do chvíle, kdy narazí na další zvláštnost vody. Při 4 °C přestane platit, že chladnější voda má větší hustotu a jako těžší klesá ke dnu. Proudění by se mělo zastavit, ovšem vír má ještě určitou setrvačnost.

Původně teplejší voda se promíchávala rychleji a kritickou hranici tak překoná snáze. I při teplotě pod čtyřmi stupni se nadále ochlazuje rychleji než voda, která byla původně chladnější. V ní se naopak proudění může úplně utišit. V tu chvíli vstupuje do hry další jev, známý jako podchlazení vody.

Jak pozdržet krystalizaci

„Máme naučenou poučku, že voda tuhne při 0 °C a mění se v led. To je určitě pravda, pokud už je v té vodě led přítomen. Pokud tam však žádný led vytvořen není, nějakou dobu trvá, než se vytvoří. Voda mezitím může stydnout,“ vysvětluje Jan Havlík, „můžeme mít kapalnou vodu s teplotou třeba –8 °C, aniž by uvnitř vznikl led.“

Podmínkou je, že podchlazená voda musí být nehybná. Prudší pohyb nebo jiný podnět způsobí, že v ní okamžitě vykrystalizuje led. A v tom spočívá i možné vysvětlení Mpembova jevu. Voda v obou nádobách sice zchladla na stejnou teplotu, ovšem v té, která byla původně chladnější, se zcela zastavilo proudění, a proto zmrzla až později.

Vědci, všímejte si každého smítka

„Mpembův jev byl mnohokrát prokázán, ale nastává jen za určitých experimentálních podmínek,“ upozorňuje prof. Miloslav Raab, „je třeba důležité to, aby nádoba měla dokonale hladké stěny. Stačí malý vryp nebo nečistota na stěně – a ta už pak funguje jako krystalizační zárodek.“

Moře přes značný pokles teploty dosud nezamrzlo. Byl to důsledek naprosté nehybnosti hladiny, protože její povrch nečeřil ani nejslabší vánek. A je známo, že za takových okolností může mít voda i několik stupňů pod nulou, aniž by zamrzla. Stačí však prostý náraz a voda náhle ztuhne.
Malá Nina a její přítel Pablo nesměli u toho pochopitelně chybět.
„Tak co, maličká,“ zeptal se kapitán Servadac Niny, „dokázala bys hodit do moře kus ledu?“
„Ano,“ odpovědělo děvče, „ale Pablo by ho hodil mnohem dál.“
„Jen se o to pokus,“ pokračoval Hector Servadac a podal Nině kus ledu.
Pak dodal:
„Dívej se dobře, Pablo! Uvidíš, jaká je naše malá Nina kouzelnice!“
Nina se dvakrát, třikrát rozmáchla a hodila led do klidné vody...
Okamžitě zazněl silný praskot, který se nesl až k obzoru.
Moře na celém povrchu komety zamrzlo.

Jules Verne: Na kometě

Mpembův efekt vědce fascinuje z několika důvodů. Jednak ukazuje, jak málo toho víme o tak obyčejné látce, jako je voda. Jednak dokládá, že i mladý student je schopen odhalit jev, který ve vědě dosud nebyl popsán. Je to motivace i pro budoucí vědce, hledat jevy, kterých si doposud nikdo nepovšiml.

Eraston Mpemba osobně možná ani netuší, jaký rozruch může i dnes vyvolat jeho objev ze studentských let. Zájem o přírodu kolem nás ho však neopustil – pracuje v jednom z tanzanských národních parků.