Bu yazının başlığı, ilköğretim fen bilgisi sınavında karşınıza çıkacak kadar basit bir soruya benziyor. Çoğumuz suyun 0°C’de donduğunu öğrendik. Normal atmosfer basıncındaki saf su için bu cevap doğrudur. Ancak su, sıcaklığı bu değerin altına düştüğünde her zaman hemen buza dönüşmez.
Bilim insanları, bulutlarda sıcaklığı −40°C’ye kadar inen sıvı su damlacıkları gözlemledi. Laboratuvarlarda ise suyu yaklaşık −46°C’ye kadar sıvı hâlde tutmayı başardılar. Peki su, donmadan ne kadar soğuyabilir?
Bu soruyu deneylerle yanıtlamak kolay değildir. Sıcaklık yaklaşık −40°C’ye indiğinde su, araştırmacıların ölçüm yapmasına fırsat vermeyecek kadar hızlı kristalleşir. Başka bir deyişle, suyun ulaşabileceği en düşük sıcaklığı ölçmeye çalıştığınız anda su buza dönüşür.
Su Neden 0°C’de Hemen Donmaz?
Sıcaklık 0°C’ye indiğinde buz, sıvı suya göre daha düşük enerjili ve daha kararlı bir yapı oluşturur. Buna rağmen su her zaman hemen donmaz. Su moleküllerinin önce küçük ve düzenli bir buz çekirdeği kurması gerekir.
Bu süreci ateş yakmaya benzetebiliriz. Odun yanmaya hazır olsa bile bir kıvılcım ateşi başlatır. Benzer biçimde küçük bir buz çekirdeği de donma sürecini harekete geçirir. Bu çekirdek olmadan su, sıcaklığı donma noktasının altına düşse de sıvı olur.
Sıvı suyun içindeki moleküller sürekli hareket eder. Bu hareket sırasında birkaç molekül bazen rastlantı sonucu buzunkine benzeyen düzenli bir grup kurar. Ancak çevredeki sıvı moleküller bu küçük yapıyı kararsızlaştırır. Bu nedenle yeni oluşan grupların çoğu kısa sürede dağılır.
Moleküllerden oluşan grup belirli bir büyüklüğe ulaştığında durum değişir. Buz çekirdeği artık dağılmak yerine çevresindeki molekülleri kendine çeker. Yeni moleküller de düzenli yapıya katıldıkça kristal büyür ve donma bütün suya yayılır. Sıcaklık düştükçe moleküller daha kolay kalıcı bir çekirdek kurar. Bu yüzden çok düşük sıcaklıklarda suyun sıvı hâlini koruması giderek zorlaşır.
Doğal sulardaki toz, mineral ve başka küçük parçacıklar, moleküllere üzerinde sıralanabilecekleri hazır yüzeyler sunar. Bu yüzeyler ilk buz çekirdeğinin kurulmasını kolaylaştırır. Çok saf su ise böyle bir başlangıç noktası içermez. Bu nedenle sıcaklığı 0°C’nin altına inse bile bir süre daha sıvı kalır. Bilim insanları bu duruma aşırı soğuma adını verir.
Aşırı soğumuş su hassas bir dengede durur. Suyu salladığımızda, içine küçük bir parçacık attığımızda veya suyu buzla temas ettirdiğimizde moleküller hızla kristal yapıya geçer. Büyüyen buz çekirdeği kısa sürede bütün suyu dondurur. Su bu sırada çevresine ısı verir ve sıcaklığı yeniden 0°C’ye doğru yükselir.
Suyun Ne Zaman Donacağını Neler Etkiler?
Doğadaki su genellikle tamamen saf değildir. İçinde toz, mineral ve polen gibi küçük parçacıklar bulunur. Bu parçacıklar, su moleküllerinin çevresinde toplanabileceği bir başlangıç noktası oluşturur. Böylece ilk buz kristali daha kolay ortaya çıkar.
Ancak her parçacık donmayı aynı ölçüde hızlandırmaz. Buz kristaline benzeyen bir yapıya sahip yüzeyler, su moleküllerinin doğru biçimde sıralanmasına yardım eder. Yüzeyin biçimi ve kimyasal yapısı değiştikçe suyun donmaya başladığı sıcaklık da değişir.
Bu durumun en ilginç örneklerinden biri Pseudomonas syringae adlı bakteridir. Bakterinin yüzeyindeki özel proteinler, su moleküllerini buz kristaline benzeyen bir düzende toplar. Bu sayede su yaklaşık −2°C’de donmaya başlayabilir. Bazı kar makineleri de yapay kar üretirken aynı tür proteinlerden yararlanır.
Suda çözünen tuz ise tam tersi yönde etki gösterir. Tuz, su moleküllerinin düzenli bir buz kristali oluşturmasını zorlaştırır ve donma noktasını düşürür. Bu nedenle deniz suyu 0°C’de değil, yaklaşık −1,8°C’de donmaya başlar.
Sonuç olarak
Kısacası suyun ne zaman donacağını yalnızca sıcaklık belirlemez. Suyun saflığı, içindeki çözünmüş maddeler ve temas ettiği yüzeyler de donmanın başlayacağı anı değiştirir.
Sonucunda “Su kaç derecede donar?” sorusunun kısa cevabı 0°C’dir. Ancak bu değer, donmanın o anda başlayacağını garanti etmez. Sıcaklık yalnızca buz oluşumunu elverişli hâle getirir. Suyun gerçekten ne zaman donacağını ise saflığı, içindeki maddeler, temas ettiği yüzeyler ve bir buz çekirdeğinin oluşup oluşmaması belirler.
Yazıyı bitirmeden son bir sulu tuhaflığa değinelim. Bazı koşullarda sıcak su, soğuk sudan daha önce donar. Aristoteles’in MÖ 4. yüzyılda söz ettiği bu olgu, 1963’te Tanzanyalı öğrenci Erasto Mpemba’nın gözlemleriyle yeniden gündeme geldi ve bugün Mpemba etkisi olarak bilinmektedir. Okumak isterseniz: Mpemba Etkisi: Sıcak Su Soğuk Sudan Neden Daha Hızlı Donar?
Kaynaklar ve ileri okumalar için:
- The Enduring Mystery of How Water Freezes?; Yayınlanma tarihi: 17 Haziran 2024. Kaynak site: Quanta Magazine. Bağlantı: The Enduring Mystery of How Water Freezes?
- R. Schwidetzky, I. de Almeida Ribeiro, N. Bothen, A.T. Backes, A.L. DeVries, M. Bonn, J. Fröhlich-Nowoisky, V. Molinero, & K. Meister, Functional aggregation of cell-free proteins enables fungal ice nucleation, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120 (46) e2303243120, https://doi.org/10.1073/pnas.2303243120 (2023)
- 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
