[스크랩] <잡학통신 143> 따뜻한 물이 찬 물에 비해 빠르게 어는 미스터리

따뜻한 물이 찬 물에 비해 빠르게 어는 미스터리

- 원인은 원자결합의 이상한 성질 때문

 

l 탄자니아 학생인 에라스토 음펨바(Erasto Mpemba)의 이름을 따 명명된 음펨바 효과(the Mpemba Effect)는 따뜻한 물이 찬 물보다 빠르게 언다는 원리이다

l 싱가포르 난양기술대학의 연구로 물 분자를 서로 묶는 결합이 음펨바 효과의 원인인 것으로 밝혀졌다

l 과학자들은 고대부터 왜 물이 이런 이상한 성질을 가지는지 설명하려고 노력해 왔다

 

사라 그리피스

2013. 11. 1

 

고대 그리스의 아리스토텔레스 시대 이후 과학자들은 뜨거운 물이 찬 물보다 빠르게 언다는 사실을 알고 있었고, 지금까지 그 원인을 밝히려고 노력해 왔다.

 

싱가포르 과학자들은 음펨바 효과의 미스터리를 드디어 밝혀냈으며, 그것은 물을 서로 같이 붙어있게 하는 결합의 독특한 성질에 있다고 믿는다.

이 그래프는 뜨거운 물이 찬 물보다 빠르게 어는 음펨바 효과를 나타낸다. 끓는 물이 낮은 온도에서 시작한 물에 비해 얼마나 빨리 냉각되는지를 보여준다. 과학자들은 이 미스터리를 풀었다고 생각하며, 그 비밀은 물을 서로 묶고 있는 결합의 독특한 성질에 있다고 믿는다.

 

음펨바 효과란?

음펨바 효과는 따뜻한 물이 찬 물보다 빠르게 언다는 이론이다. 고대부터 이 효과가 알려졌는데, 과학자들은 왜 그런 현상이 일어나는지 설명하려고 노력해 왔다.   싱가포르 과학자들은 드디어 이 미스터리를 밝혀냈다고 생각하며, 그 비밀은 물을 묶고 있는 결합의 독특한 성질에 있다고 생각한다. 수소 결합은 개개의 물 분자를 가깝게 해 물 분자 사이에 자연스런 반발을 일으키고, 또 산소 원자와 수소 원자 간의 결합을 일으키면서 에너지를 축적시킨다. 따라서 액체가 따뜻해지면 수소 결합이 길어짐에 따라 물 분자끼리 멀어지게 된다. 분자들이 다시 수축해서 에너지를 잃어버리면 냉각이 되고, 과학자들의 설명으로는 이 현상에 의해 따뜻한 물은 찬 물보다 빨리 냉각되는 음펨바 효과가 설명된다고 한다.

뜨거운 물이 찬 물보다 빠르게 어는 음펨바 효과는 60년대에 요리 공부를 하다가 뜨거운 아이스크림 반죽이 찬 반죽보다 빠르게 언다는 사실을 발견한 탄자니아 학생의 이름을 따 명명되었다.

 

그렇지만 어는 물의 이런 이상한 성질은 아리스토텔레스와 데카르트 등 역사상 위대한 사상가들에 의해 알려져 왔다.

 

과학자들은 이전부터 음펨바 효과를 설명하기 위해 노력했고, 그런 이론 중에는 따뜻한 용기가 냉동기와의 열 접촉을 더 좋게 해 열을 더 빨리 전달한다는 아이디어와 따뜻한 물이 더 빨리 증발함에 따라 물을 식혀 빨리 얼게 한다는 아이디어도 있었다.

 

그러나 싱가포르 난양기술대학의 장시(Xi Zhang)가 이끄는 연구에 의해 물을 같이 묶는 분자 결합의 독특한 성질에 기인하기 때문에 음펨바 효과의 원인이 설명된다고 medium.com 물리학 블로그가 보고했다.

 

단일 물 분자는 큰 산소 원자 한 개가 작은 수소 원자 두 개와의 공유 결합(원자 사이에 두 개의 전자쌍을 공유하는 화학 결합)으로 이루어진다.

물 분자는 한 개의 산소 원자와 두 개의 수소 원자의 공유 결합(두 개의 전자를 공유하는 결합)으로 이루어진다. 수소 원자가 산소 원자에 가까이 가게 되면 그 산소와 결합해서 수소 결합을 만든다. 결합의 이런 이상한 성질로 음펨바 효과를 설명할 수 있다.

그러나 한 분자의 수소 원자가 다른 물 분자의 산소 원자에 가까이 가게 되면 그 산소와 결합해서 수소 결합이라는 것을 만든다. 특이한 방식으로 작용하는 이런 수소 결합이 연구자들의 호기심을 유발했다.

수소 결합은 일반적으로 공유 결합보다 약한 반면, 이상하게도 공유 결합에 의한 인력과는 다른 분자 간의 인력의 합인 ‘반 데르 발스 힘(van der Waals' force)’보다 강하다.

 

화학자들은 수소 결합이 물을 잘 묶어주고 있기 때문에, 수소 결합이 여러 이상한 성질을 만들고, 비슷한 분자로 이루어진 다른 액체보다 끓는 점을 훨씬 높게 한다고 오랜 동안 추측해 왔다.

과학자들은 수소 결합이 미치는 정확한 역할에 대해 연구를 해 왔는데, 최근에 작은 튜브에 갇힌 물이 사슬을 만들어 수소결합으로 서로 묶인다는 현상이 발견되었다.

 

뜨거운 물이 더 빨리 언다는 이상한 성질은 아리스토텔레스(사진)와 데카르트를 비롯한 많은 위대한 사상가들에 의해 지적되었다.

식물이 뿌리로부터 물 분자를 끌어올리게 하는 것이 바로 이 작은 사슬이다.

  

그러나 장 박사 팀은 수소 결합이 개개의 물 분자들을 가깝게 접촉하게 해 분자들 사이에 자연 반발을 야기시켜서 에너지를 축적하면서 산소와 수소 간의 공유 결합을 길게 하기 때문에 이 결합이 음펨바 효과를 설명할 수 있다고 믿는다.

 

따라서 액체가 따뜻해지면 수소결합이 길어지게 되어 물 분자는 다른 물 분자로부터 서로 멀리 떨어지게 된다.

분자가 다시 수축해서 에너지를 잃어버리면 냉각이 되며, 과학자들은 이것이 따뜻한 물이 찬 물보다 빠르게 냉각된다는 것을 의미하며, 이로써 음펨바 효과를 설명할 수 있다고 말한다.

 

음펨바 효과는 60년대에 요리 수업을 받다가 뜨거운 아이스크림 반죽이 찬 반죽보다 더 빨리 언다는 사실을 발견한 탄자니아 학생의 이름을 따 명명되었다.

그들의 이론을 증명하기 위해서 화학자들은 분자 활동에 의한 추가 냉각의 크기를 계산하고, 그 크기가 실험에서 관찰된 뜨거운 물과 찬물 간의 냉각속도의 차이를 설명한다고 보여주었다.

 

그러나 어떤 과학자들은 이런 설명이 현재로서는 공유 결합을 짧게 하면 발생되는 물의 새로운 성질을 예측하지는 못하고, 따라서 예를 들면 이 미스터리가 만족스럽게 해결되기 위해서는 한 단계 더 나아가야 한다고 지적한다.

 

[원문] http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2483383/Mystery-hot-water-freezes-faster-cold-solved--strange-behaviour-atom-bonds.html#ixzz2jizWJ8k8 

 

 

Mystery of why hot water freezes faster than cold is solved

- and it's all down to the strange behaviour of atom bonds

 

l  The Mpemba effect, named after Tanzanian student Erasto Mpemba, is the theory that warmer water can freeze faster than colder water

l  Research by Nanyang Technological University in Singapore has revealed the bonds that hold water molecules together cause the effect

l  Scientists have been trying to explain why water behaves in the strange way it does since ancient times

 

By SARAH GRIFFITHS

PUBLISHED: 13:09 GMT, 1 November 2013

 

Scientists have known that hot water freezes faster than cold water, since the time of Aristotle in Ancient Greece. However, until now they have struggled to explain why.

 

A team of scientists in Singapore believe they have finally revealed the mystery of the Mpemba effect and it lies in the unique properties of the bonds that hold water together.

This graph shows how the Mpemba effect - how hot water freezes faster than cold. It shows how rapidly boiling water cools compared to the water that starts off at a lower temperature. Scientists think they have finally solved the mystery and believe the secret lies in the unique properties of the bonds that hold water together

 

WHAT IS THE MPEMBA EFFECT?

The Mpemba effect is the theory that warmer water can freeze faster than colder water. The effect has been noted since ancient times but scientists have struggled to explain why it occurs. A team of Singapore scientists finally think they have solved the mystery and think the secret lies in the unique properties of the bonds that hold water together. Hydrogen bonds bring individual water molecules into close contact, which triggers natural repulsion between the water molecules and causes the bonds between oxygen and hydrogen atoms to stretch as well as store energy. So as the liquid warms, it makes the water molecules sit further apart from each other as the hydrogen bonds stretch. When the molecules shrink again and give up their energy, this results in it cooling, which the scientists say means that warm water cools faster than cold water and explains the Mpemba effect.

The Mpemba effect - why hot water freezes more quickly than cold water - is named after a Tanzanian student who took cookery classes in the 1960s and found a hot ice cream mixture froze faster than a cold one.

 

But the strange behaviour of freezing water has been noted by great thinkers throughout history, including Aristotle and Descartes.

 

Scientists have tried to explain the Mpemba effect before and theories included the idea that warm containers made better thermal contact with frezers to conduct heat faster and that as warm water evaporates more swiftly, it cools the water, which allows it to freeze faster.

 

But a study led by Xi Zhang at the Nanyang Technological University in Singapore, said the reason for the Mpemba effect is down to the unique properties of the molecular bonds that hold water together, Physics blog Medium.com reported.

A water molecule is made from an oxygen atom joined to two hydrogen atoms with covalent bonds (a bond that involves the sharing of two electron pairs). When a hydrogen atom drifts close to an oxygen atom, it bonds with it, creating a hydrogen bond. It's the strange behaviour of these bonds that explains the Mpemba effect

 

A single water molecule is made from a large oxygen atom joined to two hydrogen atoms with covalent bonds (a chemical bond that involves the sharing of two electron pairs between atoms).

 

But when a hydrogen atom in one molecule drifts close to an oxygen atom in another water molecule, it bonds with it, creating what is called a hydrogen bond. It is these hydrogen bonds that behave in a peculiar way and have attracted the attention of the researchers.

 

Strangely, while hydrogen bonds are generally weaker than covalent bonds, they are stronger than the 'van der Waals' force' that is the sum of the attractive forces between molecules other than those due to covalent bonds.

Chemists have long suspected the hydrogen bonds were what gives water some strange properties and enables its boiling point to be much higher than other liquids composed of similar molecules - because the hydrogen bonds hold it together so well.

 

The strange behaviour of hot water freezing more quickly has been noted by great thinkers throughout history, including Aristotle (pictured) and Descartes

Research into the exact roles the hydrogen bonds play have been investigated by scientists who have recently found water molecules restricted into tiny tubes form chains and are linked together by hydrogen bonds.

 

It is these tiny chains that enable a plant to pull water molecules up through its roots.

 

But now Dr Zhang's team believe these bonds explain the Mpemba effect, as the hydrogen bonds bring individual water molecules into close contact, which triggers natural repulsion between the molecules and causes the covalent bonds between oxygen and hydrogen bonds to stretch as well as store energy.

So as the liquid warms, it makes the water molecules sit further apart from each other as the hydrogen bonds stretch.

 When the molecules shrink again and give up their energy, this results in it cooling, which the scientists say means that warm water cools faster than cold water and explains the Mpemba effect.

 

The Mpemba effect is named after a Tanzanian student who took cookery classes in the 1960s and found a hot ice cream mixture froze faster than a cold one.

To prove their theory, the chemists calculated the size of the extra cooling caused by the molecular activity and showed that it accounts for the observed differences between the freezing of hot and cold water in experiments.

 

However, some physicists have noted that the explanation cannot currently be used to predict new properties of water that could be created by shortening covalent bonds, for example so there is one step to go before the mystery is satisfactorily solved.

 

http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2483383/Mystery-hot-water-freezes-faster-cold-solved--strange-behaviour-atom-bonds.html#ixzz2jizWJ8k8 

 

 

출처 : 잡학통신

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