Desentrañando Paradojas: Efecto Mpemba.

por F. Zapata Abellán

    Una paradoja en el mundo de la ciencia podría ser aquel fenómeno físico que ocurre “sin que tuviera que ocurrir”, dicho de otro modo, es aquel fenómeno que ocurre contra todo pronóstico.

    El efecto Mpemba es paradójico, ya que rompe con nuestras ideas intuitivas adquiridas mediante un pensamiento científico.

    Este curioso fenómeno fue mencionado ya por Aristóteles en el siglo cuarto antes de cristo en uno de sus libros póstumos sobre la Naturaleza, tiempo después fue reconocido por numerosas personalidades como Francis Bacon o René Descartes.  Pero sería un estudiante de química de Tanzania, llamado Erasto Mpemba, quien publicó un artículo bautizando con su nombre el fenómeno en cuestión.

    Mpemba trabajaba en una heladería familiar, él se dio cuenta de que la crema con la que se hacían los helados se congelaba más rápido si esta estaba aún caliente tras su elaboración.

    Después de diferentes pruebas se comprobó que este fenómeno de congelación misteriosa estaba asociado al agua, se dieron cuenta de que el efecto Mpemba sólo se dada en el agua. El fenómeno quedó descrito como: “el agua caliente se congela antes que el agua fría”.

Figura 1. Temperatura inicial del agua frente al tiempo de congelación. 

   El agua es sin duda uno de los compuestos más abundantes y necesarios que hay sobre la Tierra. Sin la presencia de agua, las delicadas estructuras de la vida no habrían sido capaces de sobrevivir bajo las energéticas radiaciones cósmicas. Podríamos decir, que el agua es el ambiente químico en el cual la vida creció y evolucionó hasta dar lugar a la inteligencia.

   Esta posición privilegiada del agua en la cadena evolutiva no es casualidad. Las sorprendentes propiedades químico-físicas del agua son las responsables. Muchas de estas propiedades son conocidas y han sido explicadas en mayor o menor medida. Entre estas propiedades, el efecto Mpemba se resistía a ser explicado. A tal punto llegó el asunto sobre este misterioso fenómeno que en 2012 la Royal Society of Chemistry (RSC) organizó una competición a nivel mundial para poder desentrañar este paradójico fenómeno. El premio, para el que mejor explicase el origen del fenómeno, constaba de 1000 libras.

   El ganador de este concurso fue un croata llamado Nikola Bregovic. Él explicó el efecto  utilizando de herramienta la termodinámica. En su razonamiento nos habla de evaporación de moléculas de agua durante la congelación, de la presencia de gases disueltos en el agua, de corrientes de convección que acelerarían la congelación en el agua caliente antes que en el agua fría,...

   La explicación termodinámica que presentó Nikola podría ser válida para otras sustancias, pues no respondía a la pregunta de ¿por qué  el efecto Mpemba solamente ocurre con el H20  y no con otras sustancias?

   La termodinámica explica fenomenológicamente la relación existente entre la materia y la energía. Con esta ciencia no comprendemos qué es la energía o cómo es la naturaleza de la materia. Para poder entender el efecto Mpemba tendríamos que entender con profundidad la naturaleza del H2O y su relación con la energía. Tendríamos que ver a nivel molecular que es lo que le sucede a las moléculas de agua cuando estas se “enfrían” o se “calientan”, es decir, ver que le sucede a las distancias internucleares, a los ángulos de enlace, etc... mientras el agua se congela.

   Un grupo de la Nanyang University of Singapore estaba estudiando la naturaleza de los puentes de hidrógeno (O:H-O). Este equipo se percató de que sus descubrimientos sobre los puentes de hidrógeno podrían dar una explicación al efecto Mpemba.

   El fenómeno lo explicaron atendiendo a un modelo de osciladores acoplados para describir el puente de hidrógeno que existe entre dos moléculas de H2O. El puente O:H-O constaría de un enlace difuso de tipo Van der Waals, que es muy sensible a los cambios de temperatura, y un enlace “rígido” covalente.

Figura 2. Modelo de osciladores acoplados para describir los puentes de hidrógeno O:H-O en el agua.

   Pues bien, cuando el agua está congelada, podemos verlo en la Fig. 2, los electrones apareados del oxígeno que forma parte del enlace de Van der Waals (izq. en Fig.2), se sitúan en el mínimo de la curva de energía. Mientras que, el par de electrones del oxígeno que forma parte del enlace covalente (derecha en Fig. 2) no se encuentran en el mínimo de la curva. Esto se debe a la existencia de una repulsión entre los pares de electrones de ambos oxígenos.

    Como consecuencia, en el agua congela los enlaces de Van der Waals se reducen y los enlaces covalentes aumentan su tamaño. Esto implicará que las distancias intermoleculares aumentan y la densidad del agua en el estado sólido sea menor que la densidad en fase líquida.

   Ahora, supongamos que el agua está caliente. Los electrones del oxígeno que forma  el enlace Van der Waals se encuentran excitados, con lo que los electrones del enlace covalente pueden encontrarse cerca de su mínimo energético. Cuanto más caliente este el agua mayor será el estado energético de los electrones del oxígeno del enlace Van der Waals.

   Si decidimos enfriar bruscamente el agua, el enlace de Van der Waals, sensible a los cambios de temperatura, bajará a un nivel energético menor, con lo que creará una fuerte y repentina repulsión sobre los electrones del oxígeno del enlace covalente, lanzando a la molécula de agua a una posición cercana al estado sólido, donde el enlace covalente ha aumentado su tamaño. Cuanto más caliente está el agua (cuanto más alta sea la energía de los electrones del oxígeno del enlace de Van der Waals) mayor será la repulsión durante el enfriamiento de los electrones covalentes, provocando una rápida congelación (un rápido movimiento de los oxígenos del enlace covalente a una posición atómica propia del estado sólido).

   Usando este modelo junto con ciertas nociones termodinámicas para explicar la diferencia entre las moléculas de la superficie y las del bulk de la disolución, los científicos han intentado explicar el efecto Mpemba. La investigación del grupo de Singapur ha sido publicada este año en la revista PhysicalChemistry Chemical Physics de la RSC. Los autores de este estudio acaban de publicar una revisión bibliográfica sobre la naturaleza dinámica de los puentes de hidrógeno en la revista Coordination Chemistry Reviews de la editorial Elsevier.