Su ve +4 °C Gizemi

Su hayattır; hayatın gelişmesi ve büyümesi için en önemli maddelerden biridir. Bilim ve bilimkurguya ilham veren bu hayat damarımız, yıllarca diğer gezegenlerde keşfedilmeye çalışılmıştır; çünkü suyun olduğu yerde hayat da olabilir. Bildiğiniz gibi, Dünya’mızda hayat sudan doğmuş ve evrimleşmiştir. Peki ama bu mucizevi sıvının, hayatın gelişmesini sağlayan kimyasal özellikleri nelerdir?

Bildiğiniz gibi, suyun kimyasal formülü H₂O’dur; sıvı civa, brom ve zeytinyağı gibi sıvılardan fiziksel ve kimyasal olarak çok farklı davranır. Su dışındaki diğer sıvıların çoğunun donmuş halinin özkütlesi, kendi sıvı hallerinin özkütlesinden daha yüksektir; kendi sıvıları içinde dibe batarlar. Ama su farklıdır; göller ve denizlerden anlaşılacağı üzere yüzeyden donmaya başlayan su, deniz canlılarının yaşamalarına olanak sağlar. Suyu diğer sıvılardan bu kadar farklı kılan özellik nedir? Hidrojen bağları… Diğer sıvılar donarken moleküllerinin hareketliliğinde azalma olur, iç içe geçerler ve özkütleleri artar. Su ise donarken moleküllerinin hareketliliği azalır. Ancak moleküller, O—–H bağlarından dolayı kristal kafes yapısına girer. Bu kristal kafesin ortasında ise çok büyük boşluklar bulunur. Bu yüzden buzun özkütlesi sudan daha düşüktür, su yüzeyinde yüzer.

Yanlış bilinen bir gerçekten bahsetmek istiyorum. Suyun özkütlesinin 1 atm basınç altında her zaman 1 gr/cm³ olduğu düşünülür; ancak bu yanlıştır. NŞA suyun özkütlesi 0 °C’den +4 °C’ye kadar artar, +4 °C’de maksimum değeri olan 1 gr/cm3’e ulaşır. +4 °C’den +100 °C’ye kadar azalarak gider ve +100 °C’de özkütlesi 0,0006 gr/cm3’e iner ve su buharlaşır. Unutmamak gerekir ki, yaptığımız bu hesaplamaların hepsi saf su için geçerlidir; içinde NaCl gibi çözünmüş maddeler bulunan suyun özkütlesi ve kaynama noktası her zaman daha yüksek, donma noktası her zaman her zaman daha düşük olacaktır.

Aşağıdaki tabloda suyun sıcaklık – özkütle değişimini görebilirsiniz:

Peki neden +4 °C? Çünkü bu sıcaklıkta iki önemli kuvvet dengededir: Termal genleşme ve hidrojen bağları. Kaynar suyu düşünelim; sıcaklığı düştükçe su termal olarak büzüşür ve moleküllerin hareketliliği azalır ve birbirine yaklaşırlar. Böylece özkütlesi yükselir, ta ki sıcaklığı +4 °C’ye ulaşana kadar… +4 °C’de hidrojen bağlanması sebebiyle yukarıda belirttiğimiz kristal kafes yapıları oluşmaya başlar. Bu sıcaklığın altında baskın olan kuvvet hidrojen bağlarıdır. Kristal kafesleri oluştururlar; kafeslerin arasındaki boşluk nedeniyle özkütle azalır. Su donunca boşluk daha da artar ve özkütle daha çok azalır. Yani, 0 °C ile +4 °C arasında hidrojen bağlanması baskındır; +4 °C’den yukarısında ise termal kuvvetler baskındır. +4 °C’de ise bu kuvvetler mükemmel bir denge içindedir; bu yüzden suyun özkütlesi +4 °C’de maksimumdur.

Termal kuvvetler her sıvıda etkilidir ama hidrojen bağlanması sadece bu mucizevi hayat kaynağında bulunur ve iyi ki de öyledir; bu sayede deniz canlılarının soğuk havalarda bile hayatta kalmaları mümkün olmuştur. Suyun kimyasal ve fiziksel özelliklerini daha iyi anlayabildiğimizde belki de hayatın ortaya çıkış koşullarını daha iyi anlayabiliriz.

Kaynaklar: Science.ca, Socratic.org, Simetric.co.uk