Su nasıl donar? Bir su molekülünün yapısı nasıldır? Sıvı haldeki su, buz kristallerinin mimarisi ve buz oluşumunun modeli hakkında bilgilendirme.
Suyun hidrojen ve oksijen atomlarından oluştuğunu hepimiz biliriz, ancak suyun molekül yapısının aydınlatılması uzun araştırmaların yapılmasını gerektirmiştir. Buz oluşumunun modeli ise suyun kristal yapısından kaynaklanmaktadır. Donma olayı dünyanın varoluşundan beri süregelmektedir.
Fizikçiler ve kimyacılar atom ve molekül yapısından doğan özelliklerin elektronik yapısında kaynaklandığını açıklamaktadırlar. İlk modellerinde atom, bir çekirdek etrafındaki yörüngede dönen elektronlardan meydana gelen bir “gezegen sistemi” olarak şekillendirilmiştir. En dış yörüngedeki elektronların da kimyasal olayların meydana gelmesinden sorumlu oldukları varsayılmıştır.
Daha sonraları elektronların hareketlerindeki dalgalanma özellikleri izlenerek “gezen” tanımı kullanılmaz olmuştur. Böylece elektronların bulundukları veya bulunabilecekleri alanlar istatistiksel olasılıklar ile hesaplanmaya başlanmıştır. Bu olasılık durumları şekiller ile ifade edilmiştir. Böylece ortalama elektronik dağılımın resimleri ortaya konmuştur. Elektron dağılımının hesaplanması doğal olarak birçok modern fizik kuram ve ilkelerine dayanmaktadır özellikle elektronların dalga kuramı, belirsizlik ilkesi, kuantum ve kimyasal bağlarda paylaşılması, elektron çiftlenmesi kuramları gibi.
Su Molekülü
Bu ilk analizler ve denemelerden elde olunan bilgiler ışığında, bir su molekülünü şekildeki gibi şekillendirebiliriz.
Şekilde H ve O. (hidrojen ve oksijen) atomlarını göstermektedir. Pozitif yüklü protonlar güç değişimleri dolayısı ile oksijen çekirdeğinin dört bir yanındaki ikiz kutuplara doğru yönelebilmektedir. Her su molekülü, dörtyüzlü ve birinin, iki pozitif yükü diğerinin ise iki negatif yükü ile bir başka moleküle bağlanmış bir görünümdedir. Bu durum hidrojen bağı adı verilen çekim gücünün doğmasına yol açar.
Sıvı haldeki suyun yapısı:
Suyun sıvı haldeki yapısına ait son yüzyıl içinde birçok kuramlar geliştirilmiş ve bu düşünceler hızlı değişen bir evrim geçirmiştir. Nihayet küçük açılı x- ışınları difraksiyonu ile yapılan çalışmalarda suyun “kısa-dizilim” düzenine ait diyagramlar elde olunmuştur. Bir grup içinde moleküller düzenli bir oluşum halinde bulunmasına karşın grupların kendisi bütün içinde gelişigüzel dağılım göstermektedir. Son zamanlardaki araştırmalar ise moleküllerin “salkım” veya “kafes” biçiminde dizildiğini ve nadir gazların da bulunmasıyla buz ile aynı kristal yapıda olduğunu ortaya koymuştur
Buz kristallerinin mimarisi:
Su molekülleri sıcaklığın düşmesi sonucu doğal yapıları gereği kristaller halinde dizilmeye başlar. Böylece birbirine yaklaşarak bir çekim gücü yaratılması sonucu hegzagonal (altı yüzlü kristaller) oluşmaya başlar. Bu kristaller zincir gibi birbirine bağlanmışlardır. Bu durumda moleküller altıgen bir prizma görünümündedir ve bir eksen (optik eksen) boyunca dizilmişlerdir. İki buz kristalinin merkezleri arasındaki uzaklık 3 A° kadardır. Böylece eksenin 1 mikronluk uzunluğu üzerinde 3000 molekül bulunmaktadır. Bir mikron küp boyutundaki buz kristali içindeki molekül sayısı ise (3000³) yani 27 milyondur.
Suyun kristal oluşumu ile buz haline geçişi sırasında, boyutsal değişimlere de yol açar. Saf su, buza dönüşürken hacminin % 9’u oranında büyür. Günlük yaşamımızda bu olay ile sık sık karşılaşırız. Hacim genişlemesi sırasında meydana gelen büyük güç ile su konmuş kapları hiç bir engel tanımadan parçalar. Gıdaların dondurulması sırasında hacim genişlemesi ise % 6 kadardır, çünkü gıdalarda büyük oranda suyun yanında hava boşlukları da bulunmaktadır.
Buz oluşumunun modeli:
Suyun donmaya geçişi sırasında merkezden başlayan kristalleşme başlıca üç ayrı tipte sınıflandırılır.
1- Su molekülleri, donma olayı sırasında yeterli zaman bulursa düzgün altıgen kristaller haline dönüşür.
2-Eğer bu durum hızlandırılırsa, kristaller gelişigüzel yapıda ve eksen üzerinde düzgün olmayan bir şekilde oluşmaya başlar ve dallanmalar görülür. Ancak bu dallar 60° lik muntazam açılar meydana getirir.
3- Çok hızlı soğutma durumunda ise, yine merkezden oluşmaya başlayan ok şeklinde buz kristalleri görülür, dallanma yoktur, küçük, ince çubuklar halindeki kristaller saydamdır.
Böylece buzun oluşumu ve şekillenmesi donma hızı ile yakınen ilgilidir.
