Por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría: efecto Mpemba

En Cocinillas.es publicarion un fantástico artículo sobre el efecto Mpemba al más puro estilo de un experimento científico en el que congelaron en similares condiciones agua caliente a 70ºC y a 20ºC en cubiteras separadas. Para sorpresa de todos, el agua caliente no solo se congelaba antes sino que además alcanzaba temperaturas más bajas mucho antes que el agua a 20ºC. Os recomiendo visitar el post para conocer todos los detalles y disfrutar de un estudio bien hecho con resultados sorprendentes.

En ese mismo artículo se nos lanzaba el reto de explicar por qué se produce este efecto Mpemba. El tema es más complicado de lo que parece, puesto que hasta hace menos de 2 años existía mucha especulación, pero ninguna explicación definitiva. A día de hoy parece estar claro el motivo, la explicación involucra los distintos enlaces entre átomos de Hidrógeno y Oxígeno, así como conceptos de distancias de equilibrio y agitación térmica. Pero somos valientes y vamos a intentar explicarlo de la forma más sencilla y rigurosa.

Entendiendo los enlaces moleculares del agua

Empecemos por el principio; el efecto Mpemba solo se produce en el agua (H2O). Esto se debe a que los responsables del efecto Mpemba son los enlaces entre Hidrógenos y Oxígenos, en concreto el diferente comportamiento entre los enlaces covalentes H-O y los enlaces por fuerzas de Van der Waals H:O. Los enlaces covalentes son los enlaces que existen en muchas moléculas y se caracterizan porque los átomos participantes “comparten” electrones. Los enlaces por fuerzas de van der Waals se producen en presencia de Hidrógeno y son enlaces más débiles que los covalentes.

Fijémonos ahora en un átomo de Hidrógeno que tiene un enlace covalente con un oxígeno y otro por Van der Waals formando una estructura que podemos escribir como O:H-O para abreviar. Estos dos enlaces compiten entre ellos por estar más cerca del Hidrógeno, por así decirlo. Esto resulta en diferentes distancias de equilibrio para cada uno de los enlaces que además dependen de la Temperatura. Aquí empieza lo importante, vamos a ver qué pasa con estos enlaces al enfriarse y cómo afecta la temperatura inicial.

Al calentarse el agua, los enlaces O:H se vuelven más débiles permitiendo que los Oxígenos de este enlace se alejen del Hidrógeno. Esto premite que el enlace O-H se acorte (esto se comprueba mirando la frecuencia de oscilación) y gane energía potencial. La energía perdida por el enlace O:H al alejarse, es insignificante en comparación con la ganada por el enlace H-O por lo que el sistema gana (almacena internamente) energía potencial al calentarse. Esto es clave para el efecto Mpemba ya que ningún otro líquido tiene este comportamiento.

Al enfriarse el agua el enlace O:H se acorta y empuja el H-O hacia zonas de menor energía potencial. Este proceso es similar (tal y como explican en el artículo) a soltar rápidamente un muelle que estaba comprimido. La velocidad a la que se produce esta variación de distancias depende exponencialmente con la energía ganada por el enlace O:H, es decir, depende exponencialmente con la temperatura. Y con esto ya está casi explicado el efecto Mpemba, solo queda poner todo lo aprendido desde una perspectiva más global.

El efecto Mpemba y la variación de las distancias de enlace

Desde un punto de vista completo tenemos que al calentar el agua almacenamos energía en los enlace H-O mientras alargamos los O:H. Al enfriar nuestro agua los enlaces O:H se acortan empujando los Oxígenos del enlace covalente H-O lejos del Hidrógeno a una velocidad que es altamente dependiente de la separación inicial del enlace O:H. Cuanto más estiremos el enlace O:H, más rápido intentará volver a su posición deseada, lo que se traduce en que cuanto más calentemos el agua, más rápido se congelará.

Para visualizarlo mejor podríamos comparar el efecto Mpemba con un tirachinas, si tenemos un poco de cuidado. Cuando tiramos hacia atrás de la goma almacenamos energía en esta; esto es equivalente a calentar el agua y almacenar energía en el enlace H-O. Al soltar nuestra goma la piedra saldrá con una velocidad que depende de cuánto hayamos estirado la goma anteriormente; este proceso es comparable a meter nuestro agua en una cámara frigorífica/congelador: cuanto más hayamos calentado el agua más rápido se enfriará debido a que los O:H empujarán más a los H-O que tenía mucha energía almacenada.

No es un tema fácil, ni estoy seguro de haber conseguido explicarlo de forma tan sencilla como pretendía. Por eso confío en la inteligencia y la paciencia de los lectores, que espero que os permita entenderlo finalmente. Para los que no quieran gastar mucho tiempo en ello o encuentren algo confusa a explicación del efecto Mpemba os invito a comentar vuestras dudas o a añadir vuestros comentarios debajo de esta entrada.

Fuente | Arxiv.org