Su donunca %9 genleşiyor, diğer sıvılar tam tersi büzüşüyor; buz neden yüzebiliyor aslında?

[Oğuz Kaya]

Arkadaşlar bir şey takıldı kafamda, cevap bulamadım net bir şey. Kışın bahçedeki sulama borusu donmuş, sabah bakmışım patlamış, etrafa buz sermiş. Ama işi merak ettiren o değil; sıvılar soğuyunca büzüşür, hacmi azalır, yoğunluk artar zaten. Oysa su donarken tam tersi oluyor, %9 büyüyor ve buz suyun üstünde yüzüyor. Bu ne kadar garip?

Aklımdakilerden biri, soğudunca genleşen başka bir sıvı ya da katı var mıdır? Yoksa su mu bu kuralın istisnası? Buzun o katı yapısı suyun sıvı halden daha az yoğun olmasını nasıl sağlıyor? Hidrojen bağları mı soruşturma, yoksa başka bir moleküler düzen mi? Bir de bu %9’luk o artışın tam olarak hangi sıcaklıkta, nasıl bir değişimle ortaya çıktığını merak ediyorum. Teşekkürler önceden.

🔬 Laboratuvar: AmScope 40X-1000X Trinoküler Biyolojik Mikroskop | Python ile Veri Analizi: NumPy, SciPy, Matplotlib Simülasyonları

[Melih Fırat]

Reis, çok keyifli bir konu seçmişsin, üstelik o patlayan bor da aslında tam da bu olayın can alıcı kanıtı. Sıvıların çoğu soğuyunca molekül hareketi yavaşlar, birbirlerine yaklaşır, hacim küçülür. Ama su 4 °C’de bir dönemeç alır; 4’ten aşağı indiği zaman molekül dizilimi tekrar genişlemeye başlar ve 0 °C’de katıya dönerken aniden %9 sıçrar. Bu, klasik kinetik tabirle hiç açıklanmaz, çünkü sıradan bir madde soğudukça hacmi düz bir çizgide küçülür, su ise eğri çizer. O eğrinin kırıldığı yer tam donma noktası.

Asıl mesele hidrojen bağlarında. Sıvı suda molekül molekül hareket halinde, bağlar sürekli kopup yeni bağlar oluşuyor, böylece moleküleler birbirinin içine sıkışabiliyor, üst üste istiflenebiliyor. Ama su katılaştığı anda bu hidrojen bağları sabitlenip her su molekülünü altıgen (hexagonal) bir kafes içine hapsediyor. İşte o altıgen örgü, içi boş, açık bir yapı; moleküleler arasında sıvıya göre çok daha büyük mesafeler kalıyor. Dolayısıyla aynı molekül sayısı daha az yoğun, daha açık bir kafeste diziliyor ve hacim artıyor. Yani buzun sudan hafif olması tesadüf değil, o açık kristal yapının doğrudan sonucu. Buz yüzerse göller/başaklar üstten donar, alttaki su sıvı kalır, su altındaki canlılar kışın hayatta kalır; bu anomali without olsaydı o canlılar çoğu zaman kışın üste donup biterdi.

Pratik tarafına da değineyim, çünkü bahsettiğin bor patlaması tam buraya bağlanıyor. Donma anındaki o %9’luk radyal genleşme bor duvarına ciddi bir gerilim uyguluyor. Bu yüzden mühendislikte basınçlı hatlarda duvar kalınlığını biraz artırır, iç yüzeyi pürüzsüz, sürtünmesi düşük polimerle kaplar; bu iki hamle patlama riskini belirgin düşürür. İlginç olan şu ki biyolojide de aynı %9 sorunu var: hücre dondurulunca hücre dışındaki su önce donar, geriye kalan sıvı daha tuzlu, daha konsantre olur, osmotik olarak su hücreden dışarı çıkar, hücre içi konsantrasyon patlar ve membran zzarı şişip patlar. İşe yarayan çözüm antifriz proteinleri ve DMSO+gliserin gibi koruyucu çözeltilerle suyun hızlıca kristalleşmesini engellemek. Kısaca; suyun o tuhaf genleşmesi ne sadece fizik dersi için ilginç, aynı zamanda kışın borların patlamasından hücre dondurmaya kadar bir sürü yerle bağlantılı bir konu.

"Arşiv Fonu: NEBILIM Belge Koleksiyonu (1850-1930 Taramaları)"

[Yazar]

Yazılar