

Suyun Mucizevi Davranışları Anlaşılmış Değil
Su(H2O), doğadaki en temel elementlerden olan hidrojen(H) ve oksijenden(O) meydana gelen bir molekül. Bu yönüyle basit gibi görünse de garip özellikleriyle su halen çözüme ulaşmamış, önemli bilimsel konu başlıklarından biri.
Yıl 1963, Erasto Mpemba adında Tanzanyalı bir ilköğretim öğrencisi, okul projesi için dondurma yapmaya çalışıyor. Küçük dondurma kâselerine kaynamış sütü boşaltıyor. Mpemba, aceleden kaynar sütle dolu kâselerin bir kaçını buzluğa atıveriyor. Bir süre bekleyen Mpemba, şaşırtıcı bir olgu ile karşılaşıyor: kaynar sütün soğumuş olandan daha çabuk donduğunu fark ediyor. Mpemba bunu, öğretmen ve arkadaşlarıyla paylaşıyor. Ancak öğretmeni, ısı yasalarına aykırı bu duruma pek ihtimal vermediğinden olsa gerek, öğrencisini ciddiye almıyor. İşin peşini bırakmayan Mpemba, gözlemini bir gün okullarına fizik semineri vermek üzere gelen Denis Osborne'a da anlatıyor. Amatör mutfak deneyini laboratuvara taşıyan Osborne'un sonuçları altı yıl sonra Mpemba'nın da isminin yer aldığı bir makalede açıklanıyor.
Yalnız bu olgu, her sıcaklıkta ve durumda gözlenemiyor. Belli başlangıç koşulları gerekiyor. Çünkü; suyun koyulduğu kabın şeklinden, soğuk sıcak su arasındaki sıcaklık farkına kadar birçok etken donma süresini etkiliyor. Mpemba etkisi, iki sudan biri 35 °C, diğeri 5 °C iken daha belirgin gözlenebiliyor.
Suyun, henüz açıklaması yapılamamış tek olağan dışı davranışı bu değil. Suyun ısı kapasitesi beklenenin çok üstünde bir değere sahip. 1 gram suyun sıcaklığını 1 °C yükseltmek için gerekli ısı miktarı olarak tanımlanan ısı kapasitesinin yüksek olması, suyun sıcaklık değişimine direndiğinin bir göstergesi. Bu aynı zamanda suyun fazla miktarda enerji depolayabildiği anlamına geliyor. 1 litre suyu belli bir sıcaklığa yükseltmek için suya verilmesi gereken ısı enerji miktarı, aynı miktarda altını aynı dereceye ısıtmak için gereken ısıdan 30 kat daha fazla ısı enerjisi depolayabiliyor. Bu özellik, suyun ısı kalkanı ve ısı deposu olarak kullanılmasına olanak sağlıyor. Bunun sayesinde insanların ve büyük oranda su içeren canlı organizmaların vücut sıcaklıklarında büyük değişimler olmuyor.
Ekosistemler de devamlılıklarını suyun yüksek ısı kapasitesine borçlu. Sadece suyun değil su buharının da sıcaklığını değiştirmek zor. Buzun ve su buharının ısı kapasitesi, suyunkinin yarısı kadar. Yine de havada ani bir sıcaklık değişimi meydana getirmek için su buharına yüksek miktarda ısı enerjisi aktarılması gerekiyor. Bu da pek mümkün olmadığından, iklim değişimleri yavaş ve sorunsuz bir şekilde gerçekleşiyor.
Suyun yüksek ısı kapasitesi, okyanuslardaki sıcaklık değişimlerini -1-2 °C'yle +35 °C arasında sınırlıyor. Buna karşın karadaki sıcaklık farkı daha yüksek. Sibirya'da sıcaklık -70°C'yi bulurken; ekvator yakınlarında yaşayanlar zaman zaman +58°C'yi görebiliyor. Dünyamızda hiç su olmasaydı karalardaki
sıcaklık değişimi -200°C'den +200°C'ye kadar çok daha geniş bir aralıkta gerçekleşecekti.
Suyun ısı kapasitesi, bir yönüyle daha diğer sıvılardan ayrılıyor. Diğer sıvılarda ısı kapasitesi, sıcaklıkla birlikte sürekli artarken; su ısıtıldığında ısı kapasitesi düşüyor. 35°C'de en düşük değerini alıyor, ısıtmaya devam edildiğinde tekrar artıyor. Benzer bir davranış, suyun yoğunluğunun sıcaklıkla değişiminde kendini gösteriyor. Katılar ısındıkça genleşir ve yoğunlukları düşer. Ancak buz için durum böyle değildir. O°C'deki buzu ısıttığımızda, yoğunluğunun arttığını ve +4°C'ye ulaştığında en yüksek değere ulaştığını görüyoruz. Suyun bu özelliği, buzun daha az yoğun olduğu için su üzerinde yüzmesini sağlıyor. + 4 °C'te bu durum gezegenimizdeki suların derinlerden yüzeye doğru donmasını ve tüm sualtı yaşamının yok olmasını engelliyor. Buzul çağında bile göl, deniz ve okyanus sularında yaşamın devamlılığına olanak veriyor.
Suyun çift kutuplu yapısı, su molekülleriyle, hücre zarı arasındaki kuvveti de(adezyon kuvveti) güçlendiriyor. Bu kuvvet sayesinde su, ağaçların odun borularındaki hücre zarlarına tutunarak yapraklara kadar ve insanların en küçük kılcal damarlarından hücrelerine kadar ulaşabiliyor.
Kabul edilen görüşe göre su esnemez tetrahedral bir yapıya sahip değil. Hidrojen bağları arasındaki alanda gerçekleşen enerji dalgalanmaları, suyun statik değil, çok daha dinamik bir yapı kazanmasına katkı sağlıyor. Hidrojen bağlarının uzunluğu gibi yönü de, sıcaklık, basınç ve sıfır nokta enerjisindeki dalgalanmaların etkisiyle değişebiliyor. Bir çok sıvıdaki kimyasal bağlar, sıcaklığın ve basıncın değişmeme durumunda yıllarca aynı kalabilirken, suda durum çok farklı. Su molekülleri arasındaki bağlar, saniyenin trilyonda birinde kırılıp tekrar oluşuyor. Buzda ise bu süre bir saate kadar uzayabiliyor.
YENİ MODELLER IŞIĞINDA SIR PERDESİ ARALANIYOR
Stanford, Stockholm ve Tokyo üniversitelerinden üç araştırma ekibi(Anders Nilsson'ın ekibi, Lars G. M. Pettersson'ın ekibi, Shik Shin'ın ekibi), 2010 yılında ortak bir makale yayımlıyor. Makalede araştırmacıların su moleküllerindeki elektron bulutlarından saçılan X ışınını inceleyerek ulaştığı sonuçlar yer alıyor. Deneyde öncelikle su, X ışını bombardımanına maruz bırakılıyor. Işığı soğuran elektronlar, enerji seviyelerini değiştiriyor ve eski seviyelerine dönerken belli dalga boylarında ışık saçıyorlar. Saçılan ışık miktarının dalga boyuna göre değişim gösteren saçılma tayfından, hangi dalga boyundaki Işınların daha çok soğurulduğu ve saçıldığı görülebiliyor. Bu da su moleküllerinin yapısı, aralarındaki hidrojen bağları ve bu bağların kuvveti hakkında bilgi içeriyor.
Saçılma tayfında ilk dikkat çeken, biri küçük dalga boyunda, diğeri daha büyük dalga boyunda iki tepe oluyor. Araştırmacılar, saçılma tayfındaki büyük dalga boyundaki tepenin tetrahedral yapıdaki molekül topluluğundan, küçük dalga boyundaki tepenin ise düzensiz yapıya sahip su molekül topluluğundan geldiğini düşünüyor. Saçılan ışının dalga boyunun küçük olmasını hidrojen bağının zayıf olmasına bağlayan araştırmacılar, bu kadar zayıf bir hidrojen bağının, su moleküllerinin daha düzensiz dağıldığı bir yapıya işaret ettiğinde ısrar ediyorlar. Daha yalın bir ifadeyle, bir miktar suyun, tek çeşit bir sıvı olmadığını, içinde iki farklı motif içerdiğini iddia ediyorlar. İddiaya göre su moleküllerinin bir kısmı tetrahedral yapılanma gösterirken, bu yapıların aralarına serpiştirilmiş bir grup su molekülü de düzensiz bir yapı sergiliyor. Bu yeni su modeli, geleneksel modelle arasındaki tutarsızlıklara rağmen suyun garip özelliklerine mantıklı açıklamalar getiriyor.
Örneğin; buzun yoğunluğunun sudan daha düşük olması ve sıcaklık artıkça tetrahedral yapıların azalması, moleküllerin birbirine daha yakın konumlanabildiği düzensiz yapıların oranının artması ile açıklanıyor. Yine suyun ısı kapasitesinin çok yüksek olması "alınan ısı hidrojen bağlarını koparmak yerine, düzenli motiften düzensiz motife geçişe harcanıyor" açıklamasıyla aydınlığa kavuşuyor. Genelde sıvılardan sıcaklıkları arttıkça sıkıştırılabilirliklerinin artmasını bekleriz. Ancak suyun sıcaklığı 46°C yükselince daha zor sıkıştırıldığı gözleniyor. Bu da yine iki motifli modelle, sıcaklık arttıkça düzensiz motiflerin artmasıyla açıklanabilir. Basıncın artması da, düzensiz motiflerin artmasıyla sonuçlanıyor.
Güncelleme: 24/03/2011
Zeynep Ünalan, Bilim ve Teknik, Ocak, 2011