Warm water bevriest eerder dan koud water

Sommige gebeurtenissen op natuurkundig vlak lopen heel anders dan je had gedacht. Het is wat raadselachtig en lijkt tegen alle logica in te gaan, maar warm water bevriest sneller dan koud water. Echt waar! Dit wordt het Mpemba-effect genoemd. Probeer het maar uit, het klopt. De grote vraag is natuurlijk, waarom is dat zo?

Bevriezen van water

Stoffen kunnen zich in verschillende aggregatietoestanden bevinden: gasvormig, vloeibaar of vast. Het is de temperatuur die bepaalt welke van deze toestanden op dat moment geldig is. Verhoog je de temperatuur, dan gaat de stof van de ene toestand over naar de andere, een vaste stof wordt vloeibaar (het smelt) en een vloeistof wordt gasvormig (het verdampt). Omgekeerd, als de temperatuur daalt, dan wordt een gas weer vloeibaar (het condenseert) en een vloeistof wordt vast (het stolt). Het bekendste voorbeeld is water. Als je water verhit, dan gaat het bij een temperatuur van 100 graden Celsius verdampen. Koel je water af, dan zal het bij een temperatuur van 0 graden Celsius gaan stollen, ofwel: bevriezen.

Historisch bekend

Water bevriest dus als de temperatuur 0 graden of lager wordt. Je zou verwachten, dat water van 10 graden eerder bevriest dan water van 20 graden. Dat blijkt echter niet zo te zijn. Het warme water bevriest eerder. Dit effect was al bij de Griekse filosofen bekend. Zo schreef de Griekse filosoof Aristoteles, die enkele eeuwen voor Christus leefde: ‘Het feit dat water eerst is opgewarmd, draagt bij aan het snelle bevriezen ervan: het koelt dan sneller af.’

Mpemba-effect

Het gegeven, dat warm water eerder bevriest dan koud water, heeft de naam ‘Mpemba-effect’ gekregen, genoemd naar een Tanzaniaanse student, Erasto Mpemba. De hele stelling luidt: Warm water bevriest eerder dan koud water, ofschoon het warme water de temperatuur van het koude water passeert in het afkoel- en bevriesproces.

Dat vraagt om….

Het voelt als een enorme tegenstelling, een paradox. Eentje die vraagt om een heldere oplossing. Chinese onderzoekers hebben zich in dit probleem vastgebeten. En ze zijn vervolgens met een plausibele verklaring gekomen.

Verbindingen

Om te begrijpen wat er nu precies gebeurt, moeten we op heel kleine schaal gaan kijken: we kijken naar de watermoleculen. Een watermolecuul bestaat uit twee atomen waterstof en één atoom zuurstof. In formulevorm ziet een watermolecuul er uit als H2O. Maar ook tussen de moleculen bestaat een band, vooral op het moment dat het zuurstofatoom van het ene molecuul in de buurt komt van een van de waterstofatomen in een ander watermolecuul. Deze band zorgt ook voor de cohesie van het materiaal, water, in dit geval. In water hebben we dus te maken met twee verschillende soorten verbindingen:

• De verbinding tussen de atomen waterstof en het atoom zuurstof binnen het watermolecuul.
• De verbinding tussen de verschillende moleculen.

Wat gebeurt er nu?

Watermoleculen stoten elkaar, als ze te dicht bij elkaar komen, af. Hierdoor worden de verbindingen tussen de atomen in die moleculen (de covalente verbindingen) wat uitgerekt en wordt er energie opgeslagen. Als water wordt verwarmd, dan wordt de verbinding tussen de moleculen losser. Hierdoor worden ook de covalente verbindingen losser en wordt energie afgegeven. En dat kun je weer vergelijken met afkoeling. Ofwel: als je water verwarmt, dan worden de bindingen tussen de atomen losser en geven energie af. Dit proces helpt het afkoelen van het water, waardoor het warmere water sneller afkoelt dan het koudere water.

Snel afkoelen, dus eerst laten opwarmen

Je hebt gezien, dat het de atoom- en molecuulbindingen zijn, die het warme water eerder doen afkoelen dan het koude water. Hier kun je ook handig gebruik van maken. Heb je een fles bier of wijn, die je wat koeler wilt hebben, dan zet je deze dus eerst eventjes in de zon. Opgewarmd koelt net iets beter af!