Yazının başlığı size ilköğretim Fen bilgisi dersi sınav sorusu gibi gelecektir. Aslında haklısınız. Sonuçta hepimiz suyun 0 ( sıfır) derecede donduğunu ilkokul yıllarımızda öğrendik. Hatta şu an da bile başlığı Google’da yazıp arama yaparsanız çoğunlukla sıfır cevabına erişeceksiniz. Ancak aslında gerçek cevap bundan çok daha karmaşıktır.
Evrende en çok bulunan ikinci maddedir. Diğer solventlerden daha fazla malzemeyi çözer. İnanılmaz miktarda enerji depolar. Bildiğimiz hayat onsuz mümkün olmazdı. Ve her ne kadar Dünya yüzeyinin %70’inden fazlasını kapsıyor olsa da, dünyanın pek çok bölgesi onun eksikliğinden dolayı büyük sıkıntılar yaşıyor. Bahsettiğimiz şey nedir? Cevap elbette su olacaktır.
Evrenin En Mucizevi Molekülü Sudur
Dünya üzerinde hepimizin çok yakından tanıdığı ama bilimin bildiği en tuhaf madde aslında sudur. Dünyanın ve vücudumuzun yaklaşık yüzde 70’i su ile dolu olduğu halde yine de aslında kendisini yeterince tanımayız. Suyun garip davranışlar sergilediği onlarca durum vardır. Bunlardan en tuhafı da doğada sıvı, katı ve gaz olarak başka hiçbir şeyin aynı anda bulunmamasıdır.
Bulutlu bir gökyüzünün altında buzdağlarıyla dolu bir deniz size doğal görünür. Ancak kimyasal açıdan hiç de öyle değildir. Çoğu madde soğudukça büzülür, ancak su 4 °C’nin altına düştüğünde genleşmeye ve hafiflemeye başlar. Bu yüzden buz yüzer ve dondurucuda bırakılırsa su dolu şişeler patlar.
Suyun formülü H2O’dur. Yani iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomudur. Suyun en dikkat çekici özelliklerinden biri, negatif yüklü oksijen ve pozitif yüklü hidrojen bileşenleri arasında sürekli olarak oluşan hidrojen bağları ile ilgilidir. Bu bağlar sayesinde su molekülleri neredeyse diğer tüm maddelerden çok daha güçlü bir şekilde birbirlerini çekerler.
Su Kaç Derecede Donar, Kaç Derecede Kaynar?
Suyun buza nasıl ve neden dönüştüğünü bilmek, çok çeşitli doğal süreçleri anlamak için çok önemlidir. Temel kural, suyun 0 santigrat derece sıcaklıkta donması olsa da su, belirli koşullar altında daha soğuk sıcaklıklarda sıvı olarak kalmaya devam edebilmektedir.
Yakın zamana kadar suyun donma derecesinin alt sınırı olarak -38 derece kabul ediliyordu. Ancak bilim insanları bu rekoru da kırdılar. 2021 yılında yapılan bir çalışmada araştırmacılar, eksi 47,2 F (eksi 44 C) kadar düşük sıcaklıklarda su damlacıklarını sıvı halde tutmayı başardılar.
Su normalde saf değildir. İçinde çok sayıda küçük toz ve organik madde parçacıkları bulundurur. Suyun donma esnasında bir şeylere tutunması gerekir. İşte, küçük toz parçacıkları gibi şeyler bu esnada işin içine karışır. Herhangi bir madde faz değiştirdiğinde (Suyun buza dönüşmesi gibi) bir molekülün çekirdeğinde buz kristali oluşur. Sonrasında ona yakın diğer moleküller de buzlanmaya başlar. Bu çekirdeklerin etrafında buz kristalleri oluşur. Bu duruma heterojen çekirdeklenme denir.
Homojen çekirdeklenme oluşturmak da mümkündür. Ancak bunun için saf su gereklidir. Bu sayede de suyun donma sıcaklığını düşürebilirsiniz. Saf suyun içinde su molekülleri dışında başka bir şey yoktur. Yani bu yüzden normal donma süreci başlamaz.
suyu bu aşırı soğutulmuş duruma getirmek yaklaşık iki buçuk ila üç saat sürecektir .
Suyu donmadan soğutmaya ‘süper soğutma‘ denir. Dondurucunuza bir şişe çok saf koyup onu soğutun. Şişeyi dolaptan çıkardığında elinizde hala su olacaktır. Ancak bu aşırı soğumuş suya dokunduğunuzda veya biraz salladığınızda su anında buza dönüşecektir.
Son derece hızlı soğutma suyu tamamen farklı bir forma da sokar. Buz aşamasını (düzenli bir kristal kafes yapı) atlar ve ‘camsı su’ olarak bilinen kaotik amorf bir katıya dönüştürür. Bu dönüşüm doğal olarak gerçekleşmez. Dünya’daki laboratuvarın dışında camsı su bulamazsınız. Ancak bu evrendeki en yaygın su şeklidir. Aslında kuyruklu yıldızların yapıldığı şeydir.
Suyun Tuhaflıkları Saymakla Bitmez
Yüksek tuz içeriği nedeniyle, deniz suyu donmadan düzenli olarak 0 °C’nin altına düşer. Bir çok balığın kanı da normalde yaklaşık –0.5 °C’de donar. Bu nedenle balıkların kutup okyanuslarında nasıl hayatta kalması da şaşırtıcıdır. Balıklar bunu vücutlarının ürettiği bazı proteinler sayesinde başarır. Bunlar, bir araba radyatöründeki antifriz gibi çalışarak buz çekirdeği oluşumunu engeller.
Bu noktadan sonra normal basınçta bile suyun kaynama noktasının mutlaka 100 °C olmadığını öğrenmek sizi şaşırtmayacaktır. Çok daha fazlası olabilir. Kaynama, su buharı kabarcıkları genişlediğinde ve yüzeyi kırdığında meydana gelir. Bunun olabilmesi için, sıcaklığın, buhar kabarcığının yarattığı basıncın atmosfer basıncını aşmasına yetecek kadar yüksek olması gerekir.
Normal koşullar altında bu 100 °C’dir. Ancak suda kabarcıkların oluşabileceği yerler yoksa, kabarcıklar yaşam mücadelesi verirken yüzey gerilimini yenmeleri için onlara daha fazla ısı gerekir. Bu, mikrodalgada kaynayan sıcak bir fincan kahvenin neden çıkarıldığında veya karıştırıldığında patlayabileceğini açıklar. Hareket zincirleme bir reaksiyon başlatır, böylece kahvedeki tüm su yüksek hızda buharlaşır.
Son Olarak
Son bir sulu tuhaflık daha verelim. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Aristoteles bunu ilk olarak MÖ dördüncü yüzyılda kaydetmişti. Ancak modern bilim tarafından ancak 1963’te kabul edildi. Bu, Erasto Mpemba adlı Tanzanya’lı bir öğrencisinin ısrarlı çalışmaları sonucunda oldu. Bu garip süreç hakkında da bilgi edinmek isterseniz bu yazımıza göz atabilirsiniz: Mpemba Etkisi: Sıcak Su Soğuk Sudan Neden Daha Hızlı Donar?
Kaynaklar ve ileri okumalar için:
- At What Temperature Does Water Freeze?; Yayınlanma tarihi: 30 Kasım 2011;Kaynak site: Smithsonian. Bağlantı: At What Temperature Does Water Freeze?/
- Water’s ultimate freezing point just got lower. Kaynak site: Live Science. yayınlanma tarihi: 8 Aralık 2021; Bağlantı: Water’s ultimate freezing point just got lower./
- Solving the puzzle of the freezing puddle; yayınlanma tarihi: 30 Kasım 2000; Bağlantı:https://www.irishtimes.com
- Hakimian, Alireza & Mohebinia, Mohammadjavad & Nazari, Masoumeh & Davoodabadi, Ali & Nazifi, Sina & Huang, Zixu & Bao, Jiming & Ghasemi, Hadi. (2021). Freezing of few nanometers water droplets. Nature Communications. 12. 10.1038/s41467-021-27346-w.
Matematiksel
