BİR MUCİZE;SU

 Su, kimyasal olarak pek çok olağanüstü özelliğe sahiptir. Her bir su molekülü iki hidrojen ve bir oksijen atomunun birleşmesiyle oluşmuştur. Biri yakıcı, diğeri de yanıcı olan iki gazın birleşerek bir sıvıyı, hem de suyu oluşturuyor olmaları oldukça ilginçtir.

 Kimyasal olarak suyun nasıl oluştuğuna gelince; suyun elektrik yükü sıfır yani nötrdür. Ancak oksijen ve hidrojen atomlarının büyüklüklerinden dolayı su molekülünün oksijen tarafı hafifçe eksi, hidrojen tarafı da hafifçe artı yüklüdür. Birden fazla su molekülü biraraya geldiğinde artı ve eksi yükler birbirini çekerek “hidrojen bağı” denilen çok özel bir bağı oluşturur. Hidrojen bağı çok zayıf bir bağdır ve ömrü aklımızın kavrayamayacağı kadar kısadır. Bir hidrojen bağının ömrü, yaklaşık olarak bir saniyenin yüzmilyarda biri kadardır. Ama bağlardan biri kırıldığında hemen bir diğer bağ oluşur. Böylece su molekülleri birbirlerine yapışırlar ve diğer taraftan zayıf bir bağla birbirlerine bağlandıklarından akışkan olurlar.

 

                                                              

                                                                 Sudaki Hidrojen Bağları

 

 İşin bir de fiziksel tarafına bakalım.Neden hidrojen bağları bu kadar kırılgandır,devamlı oluşup kırılırlar?Boş uzay hiç te boş bir yer değildir,alanlarla doludur ve bu alanlar dalgalanırlar...Son derece küçük zaman dilimlerinde Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi uyarınca enerji serbestlik derecesi yani enerji belirsizliği büyür...Bunun anlamı hiçlikten çok kısa bir zamanda iade etmek kaydıyla sanal parçacık çiftlerinin oluşabileceğidir.Aslında boş dediğimiz uzay sanal parçacıklarla doludur.Hatta normal parçacıkların etrafını bir bulut gibi sararlar ve yaptıkları perdeleme etkisi nedeniyle bir ölçüm yapıldığında parçacığın çıplak yükünü değil perdelemeye uğramış halini ölçeriz.Elektron gibi parçacıklarda perdeleme etkisiyle elektrik yükü azalırken,kuarklarda güçlü kuvveti ele aldığımızda anti perdeleme etkisi oluşur ve renk yükü artar...Kuarkların bu durumu Kuantum Kromodinamiği hesaplarında,bu hesapların karmaşıklaşmasında,hadronların iç yapısında oldukça önemlidir...Sonuçta sanal parçacıklar çok önemlidir,zaten kuvvetlerin iletilmesinden de onlar sorumludur.Su molekülleri arasında da pozitif yükü ağır basan hidrojen ve negatif yükü ağır basan komşu molekülün oksijen atomları arasında sanal parçacıklar kısa sürelerde belirip yok olurlar.Yaptıkları değişken perdeleme etkisi sayesinde komşu hidrojen ve oksijen molekülü arasındaki kuvvetin etkisini azaltıp arttırırlar.İşte bu sebeple hidrojen bağları devamlı oluşup kırılırlar ve oluşup kırılma süresi yaklaşık saniyenin yüz milyarda biridir.Yani suyu su yapan,boşluktan çok kısa süreler için enerji alıp sonra yine boşluğa dönen sanal parçacıklardır.

 Hidrojen bağlarının suya kattığı bir başka özellik de, suyun sıcaklık değişimlerine direnç göstermesidir. Havanın sıcaklığı aniden artsa bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş artar, aynı şekilde havanın sıcaklığı aniden düşse bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş düşer. Suyun sıcaklığının önemli oranda oynayabilmesi için çok büyük miktarlarda ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Suyun ısı enerjisinin bu derece yüksek olmasının canlı hayatına sağladığı çok büyük faydalar vardır. Çok basit bir örnek verecek olursak, vücudumuzda çok büyük oranda su vardır. Su eğer havadaki ani sıcaklık iniş ve çıkışlarına aynı oranda uysaydı aniden ateşimiz çıkardı veya aniden donardık.

 Aynı şekilde, suyun buharlaşmak için de çok büyük bir ısı enerjisine ihtiyacı vardır. Su buharlaşırken, çok ısı enerjisi kullandığı için suyun sıcaklığında eksilme olur. Yine insan vücudundan bir örnek verecek olursak; vücudumuzun normal sıcaklığı 36°C’dir ve dayanabileceğimiz en yüksek sıcaklık 42°C’dir. Aradaki bu 6°C’lik aralık çok küçük bir aralıktır ve birkaç saat güneş altında çalışmak vücut sıcaklığını bu kadar arttırabilir. Ancak vücudumuz terleyerek, yani içindeki suyu buharlaştırarak çok büyük miktarda ısı enerjisi harcar ve vücut sıcaklığı düşer. Vücudumuz otomatik olarak çalışan böyle bir mekanizmaya sahip olmasaydı, birkaç saat güneş altında çalışmak bile bizler için öldürücü olurdu.

 Hidrojen bağlarının suya kazandırdığı bir başka olağanüstü özellik, suyun sıvı iken katı haline oranla daha yoğun olmasıdır. Halbuki, yeryüzündeki maddelerin çoğu katı iken sıvı haline oranla daha yoğundur. Ancak, su diğer maddelerin tersine donarken genleşir. Bunun sebebi hidrojen bağlarının su moleküllerinin birbirlerine sıkı şekilde bağlanmasını engellemesi ve arada birçok boşluğun kalmasıdır. Su sıvı iken hidrojen bağları kırıldığından oksijen atomları birbirine yaklaşır ve daha yoğun bir yapı elde edilir.

Bu durum aynı şekilde buzun sudan daha hafif olmasını da beraberinde getirir. Normalde herhangi bir metali eritip içine aynı metalden birkaç katı parça atsanız, bu parçalar hemen dibe çöker. Ancak suda durum farklıdır. Onbinlerce ton ağırlığındaki buz dağları suyun üzerinde mantar gibi yüzmektedirler. Peki suyun bu özelliğinin ne gibi bir faydası olabilir?

Bu soruyu bir ırmak örneği ile cevaplayalım: Havalar çok soğuduğunda ırmaktaki suyun tamamı değil, sadece üzeri donar. Su, +4°C’de en ağır halindedir ve bu dereceye ulaşan su hemen dibe çöker. Suyun üzerinde ‘katman halinde buz’ oluşur. Bu katmanın altında su akmaya devam eder ve +4°C canlıların yaşayabileceği bir sıcaklık olduğu için sudaki canlılar bu sayede hayatlarını sürdürürler.

 

 Suyun diğer bileşiklere göre olağan dışı 41 özelliği:

1. Su olağan dışı yüksek erime noktasına sahiptir.

2. Su olağan dışı yüksek kaynama noktasına sahiptir.

3. Su olağan dışı yüksek kritik noktaya sahiptir.

4. Su olağan dışı yüksek yüzey gerilimine sahiptir.

5. Su olağan dışı yüksek vizkoziteye sahiptir.

6. Su olağan dışı yüksek buharlaşma ısısına sahiptir.

7. Su erirken hacmi küçülür.

8. Su 3.984°C ye kadar ısıtıldıkça artan yüksek yoğunluğa sahiptir.

9. Suda "en yakın komşu sayısı" eriyince artar.

10. Suda "en yakın komşu sayısı"; sıcaklıkla artar.

11. Suyun erime noktasi basınçla azalir (13.35 Mpa basınçta erime noktasi -1 °C)

12. Basınç, en yüksek yoğunluğun ulaşıldığı sıcaklığı düşürür.

13. D2O ve T2O nin fiziksel özellikleri H2O nunkinden kütle farkının yaratması gerekenden daha fazla farklılık gösterir, (örneğin en yüksek yoğunluğun ulaşıldığı sıcaklıklar sırasiyla 11.185°C ve 13.4°C dir

14. Sıcaklık azaldıkça vizkozite olağan dışı bir şekilde artarken difuzyon azalır.

15. Suyun vizkozitesi 33 °C nin altında basınç ile azalir.

16. Su olagan dışı küçük sıkıştırılabilirlige sahiptir.

17. Suyun sıkıştırılabilirligi artan sıcaklıkla beraber (46.5 °C ye kadar) azalır. Bu sıcaklığın altında su daha kolay sıkışır.

18. Suyun termal genleşme katsayısı küçüktür.

19. Suyun termal genleşmesi düşük sıcaklıklarda gittikçe azalır.

20. Sudaki ses hızı sıcaklıkla beraber artar (en yüksek 73 °C)

21. Suyun özgül ısı kapasitesi buz ve buharın iki katından fazladir.

22. Suyun özgül ısı kapasitesi (Cp ve Cv) olağan dışı yüksektir.

23. Suyun özgül ısı kapasitesi Cp nin en düşük Cv nin en yüksek olduğu değerler vardir.

24. NMR spin-latis rahatlama zamanları düşük sıcaklıklarda çok küçüktür.

25. Suda çözünenlerin yoğunluk ve vizkozite gibi özelliklere etkisi çok farklıdır.

26. Hiç bir çözeltisi termodinamik olarak ideal degildir, H2O da çözünmüş D2O bile.

27. X-Isini difraksiyonu (saçılımı) olağan dışı detaylı bir yapı gösterir.

28. Süper-soğutulmus suyun iki fazi vardır ve ikinci kritik nokta yaklaşık -91°C dedir.

29. Su, küçük damlacıklar şeklinde -70 °C ye kadar süper-soğutulabilir. Süper-soğutulmus su -123 °C ve -149 °C arasında camsı amorf buzdan elde edilebildiği gibi -63 °C dereceye kadar kübik buz ile bir arada bulunabilir.

30. Katı su, diğer maddelere kıyasla cok daha fazla sayıda kararlı ve yarı kararlı kristal yapılarda ve amorf yapılarda bulunur.

31. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donabilir, Mpemba etkisi.

32. Suyun kırınım indisi 0 °C nin hemen altinda en yüksek değerine sahiptir.

33. Apolar gazların sudaki çözünürlükleri sicaklıkla azalıp minimumdan geçtikten sonra tekrar artar.

34. Düşük sıcaklıklarda, suyun kendi difuzyonu, artan yoğunluk ve basınçla beraber artar.

35. Suyun ısı iletkenliği yüksektir ve en yüksek değerini yaklaşık 1340 °C de alır.

36. Proton ve hidroksit iyonlarinın mobiliteleri (hareketlilikleri) elektrik alanında olağan dışı yüksektir.

37. Suyun erime ısısının en yüksek olduğu sıcaklık -17 °C dir.

38. Suyun dielektrik katsayısı yüksektir ve sıcaklıkla anormal davranışlar gösterir.

39. Yüksek basınç altında, basınç arttıkça su molekülleri birbirlerinden uzaklaşır.

40. Suyun elektriksel iletkenliği 230 °C civarında en yüksek değerine ulaşır.

41. Sıcak suyun titreşim hareketi soğuk suyunkinden daha uzun sürer.

 Elektronun yükü,ince yapı sabiti (komşu moleküllerin oksijen ve hidrojen atomları arasındaki kuvveti belirler),elektronun kütlesi (elektronun dalgafonksiyonunu dolayısıyla atomun boyutunu belirler) öyle ince ayarlanmış ki sanal parçacıkların perdeleme etkisiyle hidrojen bağlarının bir oluşup bir kırılmasını sağlayacak şekilde...Oldukça ilginç...