Buz Neden Suda Yüzer? Suyun Hayat Kurtaran Tuhaflığı

Bir bardak suya buz attığında buzun batmadığını hiç düşünmeden kabul edersin. Oysa bu, doğanın en tuhaf istisnalarından biri. Çoğu maddenin katı hali kendi sıvısından daha yoğundur ve batar. Su ise kuralı bozar ve bu küçük tuhaflık Dünya’daki yaşamın şeklini belirler.

Normalde katılar batar

Bir maddeyi soğuttuğunda molekülleri yavaşlar ve birbirine yaklaşır. Donma anında moleküller sıkı bir düzene girer ve sıvı haldekinden daha az yer kaplar. Bu yüzden katı hal genellikle daha yoğundur:

• Donmuş alkol (etanol) sıvı alkolde batar.
• Katı mum erimiş mumun dibine çöker.
• Donmuş zeytinyağı sıvı zeytinyağında batar.

Su ise bunun tam tersini yapar.

Sırrı hidrojen bağları

Bir su molekülü (H₂O), bir oksijen ve iki hidrojen atomundan oluşur ve V harfine benzer. Oksijen elektronları kendine daha fazla çektiği için hafif negatif yüklüdür. Hidrojen uçları ise hafif pozitif yüklüdür.

Bu yük farkı yüzünden bir molekülün hidrojen ucu, komşu molekülün oksijen ucunu çeker. Bu zayıf ama önemli çekime hidrojen bağı denir.

• Sıvı suda hidrojen bağları sürekli kurulup kopar. Moleküller düzensiz şekilde birbirine sokulur ve aralarında çok az boşluk kalır.
• Buzda ise her molekül komşu dört molekülle sabit hidrojen bağları kurar. Bu bağlar molekülleri belirli açılarda tutar ve altıgen bir kafes oluşur. Bu kafesin ortasında boşluklar vardır.

Sonuçta buz, aynı sayıda molekül için sıvı sudan daha fazla yer kaplar. Buzun yoğunluğu yaklaşık 0,92 g/cm³, sıvı suyunki ise yaklaşık 1,00 g/cm³ olur. Bu yaklaşık yüzde 9’luk fark buzun yüzmesine yeter.

Kar tanelerinin altı köşeli olmasının sebebi de bu altıgen kafestir.

4 derecenin önemi

Suyun tuhaflığı yalnızca donma anıyla sınırlı değil. Su soğurken yoğunluğu bir süre artar ve yaklaşık 4 °C’de en yüksek değerine ulaşır. 4 °C’nin altında moleküller buz kafesine benzeyen düzenler kurmaya başlar ve su tekrar genleşir.

Bu durum göllerde şöyle bir sonuç doğurur:

1. Sonbaharda yüzeydeki su soğuyup ağırlaşır ve dibe çöker.
2. Bütün göl yaklaşık 4 °C’ye ulaşana kadar bu karışma sürer.
3. Daha sonra yüzeydeki su 4 °C’nin altına soğuyunca hafifler ve yüzeyde kalır.
4. Buz yüzeyde oluşur ve altındaki suyu bir yalıtım tabakası gibi örter.

Gölün dibindeki su kış boyunca 4 °C civarında kalır. Balıklar, kurbağalar ve diğer canlılar kışı orada geçirebilir.

Buz batsaydı ne olurdu?

Su da çoğu madde gibi davransaydı, kışın oluşan buz dibe çökerdi. Yüzeyde yeni buz oluşur, o da batardı. Göller ve sığ denizler dipten yukarı donar, yazın Güneş ise sadece yüzeydeki suyu ısıtabilirdi.

Bilim insanları böyle bir dünyada pek çok su kütlesinin yıl boyunca büyük ölçüde donmuş kalacağını ve tatlı su yaşamının bugünkünden çok farklı olacağını düşünüyor. Buzun yüzmesi, yaşamın milyonlarca yıl boyunca su altında kesintisiz sürmesine yardım etmiş olabilir.

Günlük hayatta suyun genleşmesi

Suyun donarken genleşmesi bazen başımızı ağrıtır, bazen de doğayı şekillendirir:

• Patlayan şişeler ve borular: Su donarken hacmi yaklaşık yüzde 9 artar. Dondurucuda unutulan cam şişe ya da kışın donan su boruları bu yüzden çatlar.
• Kayaların parçalanması: Kaya çatlaklarına sızan su gece donup genleşir ve çatlağı genişletir. Yıllar boyunca tekrar eden bu süreç dağları aşındırır. Bu olaya don kaması denir.
• Yollardaki çukurlar: Asfaltın altına sızan suyun donup çözülmesi kış sonunda yollarda çukurların açılmasına yol açar.

Buzdağının görünmeyen kısmı

Deniz suyu tatlı sudan biraz daha yoğundur (yaklaşık 1,025 g/cm³). Buzun yoğunluğu bunun yaklaşık yüzde 90’ı kadar olduğu için bir buzdağının yaklaşık onda dokuzu su altında kalır. Gemiler için tehlikeli olan da çoğu zaman suyun altındaki, görünmeyen bu büyük kütledir.

Özetle

Buz, su moleküllerinin donarken hidrojen bağlarıyla içi boşluklu altıgen bir kafes kurması sayesinde sudan daha hafiftir ve yüzer. Doğada çok nadir görülen bu özellik, göllerin yukarıdan aşağı donmasını, dipteki canlıların kışı atlatmasını ve kar tanelerinin altı köşeli olmasını sağlar. Bardağındaki buz küpü, aslında gezegenimizin en önemli kimyasal tuhaflıklarından birini gösteriyor.