Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Если в морозную погоду плеснуть из емкости холодную воду, она просто брызгами упадет на землю. Кипящая вода же превратится в снежный пар. Этот факт известен со времен Аристотеля, но объяснения феномену до последнего момента не было.

В 1960-х годах танзанийский школьник Эрасто Мпемба заморозил кипящее молоко, чтобы приготовить мороженое быстрее своих друзей. В честь него и был назван этот эффект более быстрого замерзания горячей воды.

Королевское химическое общество Великобритании даже провело в 2012 году соревнование, чтобы посмотреть, смогут ли ученые разгадать тайну эффекта Мпембы. Более 22 тыс. заявок было подано на конкурс, но объяснения явлению так и не поступило.

Позднее было опубликовано исследование в журнале «Химическая теория и вычисления», которое объясняло феномен на молекулярном уровне. Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. И в холодной воде наблюдаются не только ковалентные связи, но и менее сильные водородные связи между атомами водорода и кислорода соседних молекул воды. Они более слабые, но их достаточно много. Ученые предполагают, что водородные связи — это и есть ключ к разгадке эффекта Мпембы.

В то же время горячая вода в основном состоит только из сильных ковалентных связей, так как слабые связи распадаются в процессе нагревания.

Ковалентные связи и водородные связи в молекуле воды

Распавшиеся молекулы образуют «шестиугольную решетку твердого льда», и это ключ к разгадке эффекта Мпембы. В холодной воде водородные связи должны распасться, чтобы начался процесс заморозки. Но если связи уже распались в горячей воде, лед образуется быстрее, так как структуры, необходимые для этого, уже существуют.

Впрочем, ряд ученых полагает, что данный эффект «работает» далеко не всегда: на то, какая вода замерзнет быстрее, в значительной степени влияет среда, то есть условия проведения эксперимента.