往冰箱里放热水和冷水两个杯子，令人惊奇的是放热水的杯子会先于放冷水的杯子结冰。不管你是否亲身观察过这种现象，大家的直觉是热水距离水的冰点温度更远，应该是冷水先结冰。那么这是怎么回事呢？为什么热水比冷水结冰更快？

Mpemba effect姆潘巴效应

这种现象称为Mpemba姆潘巴效应， 埃拉斯托·姆潘巴（Erasto Mpemba）在高中冰淇淋制作过程中发现此现象。

19世纪60年代，姆潘巴当时还是坦桑尼亚的一名高中生，在实验室制作冰淇淋时发现热水比冷水结冰更快。有证据表明，亚里士多德在公元 4 世纪首次观察到这种效应，后来它激起了弗朗西斯·培根和勒内·笛卡尔等知识界重量级人物的好奇心。但只有姆潘巴能够更详细地描述这种现象，他在 1969 年发表了一篇解释这种现象的论文——姆潘巴效应。

姆潘巴效应只是说明了这个现象，但背后的原理是什么？

前置知识：

液体和固体是物质的两种常见状态。液体具有流动性、形状不稳定、易变形等特点，而固体则具有稳定的形状和体积。固体的形成是由于分子间相互作用力的增强，使得分子排列有序，达到了一定的稳定状态。液体则是介于固体和气体之间的状态，分子间的相互作用力较弱，分子间间隔较大，无规则地运动。

理解液体和固体的特性和形成过程，有助于我们更好地理解煮沸的水比室温水更容易冻结的现象。

科学解析：

当煮沸的水降温至冰点以下时，它比室温水更容易冻结。这是因为水的分子在沸腾时运动更加剧烈，从而使水中的气体溶解度降低。因此，在煮沸的水中会有更多的气泡形成，这些气泡会随着温度的下降逐渐聚集在水中。当温度降至冰点以下时，这些气泡可以提供形成冰晶的位置，从而促进冰的形成。

煮沸的水中的分子运动也会导致核的形成，从而加速冰的形成。在煮沸的水中，分子运动的速度更快，从而更容易形成冰晶核。当温度降至冰点以下时，这些核可以更快地吸收周围的水分子，形成更大的冰晶体。

煮沸的水比室温水更容易冻结是由于它在煮沸时气泡形成和核的形成更为容易，而这些因素都会促进冰的形成。

科学实验：

科学家对煮沸的水和室温水的分子运动进行研究，发现煮沸的水分子运动更加剧烈，分子间距离更大，气泡也更容易产生。科学家还在实验室中进行了控制变量的实验，首先将两个水杯分别装满室温水和煮沸水，然后分别放入冰箱中冷却，实验结果显示煮沸的水比室温水更容易冻结。另外一组科学家发现，在煮沸水冷却时，水表面上的气泡会被挤压至水底部，这会形成许多小的水团，这些水团的结冰速度比独立的水分子更快，从而导致煮沸水比室温水更容易冻结。除此之外，还有科学家发现，煮沸水的冷却速度更快，导致煮沸水比室温水更容易形成冰晶。

通过实验和研究，科学家们得出了结论，煮沸的水比室温水更容易冻结，这是由于分子运动更剧烈、气泡形成、小水团和快速冷却等因素的综合作用所导致的。

研究这方面的科学家马丁·卓别林 (Martin F. Chaplin) 2011年文献：?The water molecule, liquid water, hydrogen bonds and water networks, In Water The forgotten biological molecule? 水分子、液态水、氢键和水网络——在水中被遗忘的生物分子。

应用：

除了科学研究中的应用，煮沸的水比室温水更容易冻结这一特性也有实际的应用价值。其中一项应用是在饮用水净化方面。在某些情况下，水中可能会含有大量的细菌和病毒等微生物，这会对人体健康造成威胁。为了净化水，可以使用加热-冷却法。

在食品制造和冷却方面也有类似的应用。例如，在冷却热饮料时，使用煮沸的水可以更快地降低温度，从而更快地冷却饮料。这也可以避免冷却时出现不必要的细菌滋生。

煮沸的水更容易冻结这一现象在科学研究中也有广泛应用：

1. 制备冰膜：在化学和生物学实验中，制备冰膜是一种常见的实验方法。通过在煮沸的水中浸泡涂有样品的平板，然后将其迅速冷却至低于冰点的温度，就可以在样品表面形成均匀的冰膜。
2. 研究水的超冷性：超冷的水指的是低于冰点但仍为液态的水。研究人员利用煮沸的水更容易冻结的特性来研究超冷水的形成和性质。
3. 制备纳米颗粒：在纳米颗粒的制备中，煮沸的水通常被用作反应介质。由于煮沸的水更容易冻结，可以控制反应速率和形成均匀的纳米颗粒。

结论：

我们可以看到，煮沸的水比室温水更容易冻结的现象确实存在，并且已经被科学家进行了深入的研究和实验验证。通过科学的研究和实验，我们可以更好地理解这一现象的本质和特性，进而在实际生活和科研中更加准确地应用和掌握。

然而，这一现象仅仅是水的性质之一。水作为一种普遍存在的物质，其在生命科学、环境科学、化学、材料科学等领域都有广泛应用。因此，我们可以思考更深层次的问题，如何进一步探索水的特性和固化过程，以及如何应用这些特性来解决实际问题。这样的思考将促进我们对水这一重要物质的更深入认识和应用。

参考资料：

1. Chaplin. M., (2011) The water molecule, liquid water, hydrogen bonds and water networks, In Water The forgotten biological molecule, D. Le Bihan and H. Fukuyama, Ed. Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., Singapore, pp. 3-19.