İçinde bir miktar demir barındıran su içtiyseniz, ağzınızda metalik bir tat kaldığını hatırlarsınız. İçtiğimiz sudaki çözünmüş kimyasal maddelerin bulunması pek hoş olmayabilir. İçme suyundaki renk, çözünmüş ve asılı halde duran maddelerden kaynaklanabilir. Sudaki kahverengi ton ise genelde su borularındaki pastan gelir. Suda genelde arıtma tesislerinde ortadan kaldırılan kirletici maddeler bulunabilse de, işin iyi tarafı içtiğiniz suyun büyük olasılıkla insan sağlığına faydalı olan bazı çözünmüş mineraller içermesidir. Ayrıca damıtılmış veya iyonsuzlaştırılmış su gibi “saf” su içtiyseniz, tadının “yavan” geldiğini fark etmişsinizdir. İnsanların çoğu çözünmüş mineraller içeren suları tercih ederken, suyun berrak olmasını ister.
Hiç musluktan bardağa su doldurduktan sonra suyun beyazımsı veya bulanık olduğunu gördünüz mü? Bu durum neredeyse her zaman sudaki havadan kaynaklanır. Beyaz rengin hava sebebiyle oluşup oluşmadığını görmek için cam bir bardağı suyla doldurup tezgaha koyun. Suyu bir dakika boyunca gözlemleyin. Beyaz renk havadan kaynaklıysa, ilk önce suyun dipteki kısmı saydamlaşmaya başlayacak ve sonrasında renk yukarı doğru kaybolacaktır. Bu doğal olgunun sebebi, musluk açıldığı zaman çıkan sudaki çözünmemiş havadır. Musluğu açarak basıncı azalttığınızda ve bardağı suyla doldurduğunuzda, hava artık suyu terk edip serbest kalmakta ve suya birkaç dakikalığına beyaz renk vermektedir.
İçinde hiçbir yabancı madde bulunmayan ve gerçekten saf olan suyu doğal bir ortamda bulamazsınız. Her gün gördüğünüz su, çözünmüş mineraller ve sıklıkla da sıvı içerisinde asılı duran maddeler barındırır. Fakat musluktan doldurduğunuz bardaktaki su renksiz görünür. Su aslında renksiz bir sıvı değildir. İçinde yabancı madde bulunmayan saf su bile hafif mavi bir ton barındırır. Bu tonu en iyi, uzun bir su sütunundan içinden bakarken görürsünüz. Sudaki bu mavilik, gökyüzüne mavi rengini veren ışığın saçılmasından kaynaklanmaz. Suyun maviliği, su moleküllerinin görünür ışık tayfının en sondaki kırmızı bölümünü soğurmasından gelir. Daha detaylı şekilde anlatmak gerekirse, ışığın sudaki emilimi atomların titreşme ve ışığın farklı dalga boylarını soğurma biçiminden kaynaklanır.
Suya rengini veren bu emilim görünür ışık tayfının kızıl ucunda bulunduğundan, birkaç metre yüksekliğindeki sudan geçen ışığı gözlemlerken turuncunun tamamlayıcı rengi olan mavi rengi görürüz. Kar ve buz da aynı yoğunlukta mavi renk içerdiğinden, buzulların derinliklerinden mavi rengin geri saçıldığını görürsünüz.
Mavi su, titreşimsel geçişlerin sebep olduğu doğal rengin bilinen tek örneğidir. Diğer çoğu durumda renkler, ışık fotonlarının elektronlar ile gerçekleştirdiği etkileşimlerle ortaya çıkar. Bu mekanizmaların bazıları emilim, yayılım ve seçici yansıtım gibi titreşim etkileşimleridir. Diğerleri de Rayleigh saçılımı, girişim, dağılma ve kırılma gibi titreşim dışı etkileşimlerdir. Söz konusu mekanizmalar, suyun aksine fotonların elektronlar ile etkileşimlerine bağlıdır.
Bükük bir şekle sahip serbest durumdaki su molekülü H2O’nun üç temel titreşimi vardır. Bu titreşimleri düşünürken, güçlü yaylara sabitlenmiş metal küreleri aklınıza getirin. Bu üç normal mod ise simetrik gerilme, simetrik eğilme ve asimetrik eğilmedir.
Peki neden titreşim? Su, maviliğini görünür tayfın kızıl kısmındaki seçici emilimine borçludur. Soğrulan bu fotonlar, yüksek bir armonik tona ve nükleer molekül hareketlerinin karma durumlarına (ör. fazla uyarılmış titreşimlere) geçiş yapılmasına önayak olur. Moleküler titreşimlerin suyu maviye boyamasının sebebi, “ağır” suyun benzer bir emilim eğrisine sahip olmasına rağmen görünür ışık tayfının dışındaki daha yüksek dalga boylarına kaymasıdır. Ağır su, bu sebeple renksizdir. Sıradan su ile kimyasal bakımdan aynı yapıda olan ağır suda, iki hidrojen atomu döteryum atomlarıyla yer değiştirir. Hidrojenin bir izotopu olan döteryum, ağır suyu yaklaşık olarak %10 daha ağır hale getiren fazladan bir nötrona sahiptir.
Armonik tonların etkisi nedir?
Müzikte bir nota, titreşen hava sütunu veya telin tabiatına göre temel bir dalga boyu ve perdeye sahiptir. Bir keman telinin perdesi ilk olarak telin titreşme uzunluğuna, sonrasında ise kalınlığına ve gerilimine bağlıdır. Bu temel perdeyle bağlantılı olan ikincil notalar, tel sanki ikiye, dörde vs. bölünmüş gibi titreşirken oluşur. Armonik sesler, temel perdeden daha yüksek perdelere sahiptir ve duyduğumuz nota da bu armonik seslerin zenginleştirmiş olduğu birleşik bir sestir. Temel ve armonik perdelerin nispi gücü, her bir enstrümanla ilişkilendirdiğimiz benzersiz seslere katkıda bulunur.
Moleküler titreşimler de temel dalga boylarına bağlı armonik tonlar barındırır. Tıpkı duyduğumuz bir müzik notasının temel tonun armonik tonlarıyla birleşimi olması gibi, moleküller de temel ve armonik titreşimlerinin karmaşık bileşimleri halinde titreyebilir. Su moleküllerinde ise sadece ilk birkaç armonik ton genel titreşim enerjisine önemli katkı yapar.
“Hidrojen bağın” etkisi nedir?
Su, yüksek yoğunluklardaki O-H bağı ve bolluğuyla doğadaki moleküller arasında eşsiz bir yere sahiptir. En önemlisi de O-H simetrik (v1) ve antisimetrik (v3) titreşim gerilim temelleri yeterince yüksek olduğundan, görünür tayfın kırmızı bölümünün hemen ucunda dört-kuantumlu armonik geçiş (v1 +3v3) meydana gelir. Gazlı ve sıvı suyun titreşimsel geçişlerini kıyaslarken, sıvı haldeki O-H gerilim bölgesi v1 ve v3’ün gaz hali değerlerinden birkaç yüz dalga sayısı kadar kırmızıya kayar (daha düşük enerjiye). Bu geçiş, sıvıdaki hidrojen bağlanmasının sonucudur. Buzun (katı hal) yakın kızılötesi emilim bölgeleri en çok kızıla kaymanın gerçekleştiği yerdir. Sudaki hidrojen bağlanması, H2O gerilim frekanslarının daha düşük değerlere kaymasına sebep olur. Suyun hidrojen bağları olmaması halinde yine renkli olacağı ancak daha yoğun mavi renk sergileyeceği düşünülüyor.
Sıvı amonyak gibi hidrojen içeren diğer sıvı ve katılar, titreşim ve dönüş etkileri sebebiyle mavimsi renk işaretleri sergileyebilir. Fakat su ve buzdan başka, oluşan bu zayıf renklenmenin görülebileceği kadar fazla miktarda bulunan kimyasal madde yoktur.
Neden diğer birçok bileşende moleküler titreşimlerden kaynaklı renkler görmüyoruz?
Çoğu molekül, suyunkinden daha düşük frekanslı (dalga boyu daha kısa) titreşim enerjisine sahiptir ve görünür ışık aralığı yerine uzak kızılötesi ve termal titreşimlerin menzilinde yer alır. Sudaki hidrojen atomları çok hafiftir ve hidrojen ile oksijen arasındaki bağlar çok kuvvetlidir. Bu sebeple görünür ışık aralığında kalan armonik tonlar ile beraber daha yüksek frekanslara (daha kısa dalga boylu) kayarlar. Tıpkı telin kütlesi azaldığında titreşen telin perdesinin artması ve tele uygulanan gerilimin yükselmesi gibi, en güçlü şekilde bağlanıldığında (sudaki oksijene) en hafif atomlar (hidrojen) ile de en yüksek frekanslı titreşimler gerçekleşir.
Titreşimsel durumlar, bunlarla ilişkili dönüşsel durumlar gibi elektronik uyarımların enerjisini de düzenleyebilir ve iyot buharının mor rengiyle, bromürün kızılımsı kahverengi tonuyla ve klorun yeşil rengiyle ilişkilidir.
Kaynak: ABD Jeoloji Araştırmaları Kurumu & Webexhibits. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
