Suyun neden en yüksek yoğunluğu vardır?
Çoğu sıvı (sabit bir basınçta) soğuduğu zaman, epey basit bir davranış sergilerler: Daralırlar. Sıvı, soğudukça büzüşür; çünkü moleküller daha yavaş hareket ettikleri için, onları birbirlerine çeken moleküllerarası kuvvetleri atlatmaları daha zor olur. Ardından, donma sıcaklığına ulaşırlar ve madde katı hale gelir; bu durum, onun biraz daha daralmasına sebep olur çünkü kristal haldeki katılar, genelde sıkı şekilde paketlenmişlerdir.
Su, bu konuda az sayıdaki istisnadan biridir. Sıvı su soğuduğu zaman, beklendiği gibi, yaklaşık 4 derecelik bir sıcaklığa kadar daralır. Bundan sonra, donma noktasına ulaşıncaya dek hafifçe genişler ve ardından, donduğu zaman yaklaşık %9 oranında genişler.
Bu olağandışı davranış, su molekülünün yapısından kaynaklanıyor. Hidrojen atomlarının ağ oluşturma konusunda güçlü bir eğilimleri vardır; burada her hidrojen atomu, iki oksijen atomu arasında yer alan bir hatta bulunur. Hidrojenlerin bu bağ oluşturma eğilimi, sıcaklık azaldıkça güçlenir (çünkü hidrojen bağlarını titreştirip yerinden çıkaracak termal enerji miktarı daha azdır). Buzun yapısı, tamamen hidrojen bağlıdır ve bu bağlar, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi, kristal yapıyı çok “açık” olmaya zorlar:
Aşağıdaki iki resimden birincisi, sıvı suyun kendine özgü niteliğini gösterirken ikincisi, bir buz yapısını gösteriyor; buzda bulunan fazladan açık alana dikkat edin.
Buzun sıvı sudan daha az yoğun olmasına sebep olan şey, bu açık katı yapıdır. Bu yüzden buz suyun üstünde yüzer; ki hepimiz buna minnettar olmalıyız çünkü eğer su “normal şekilde” davransaydı, kış mevsiminde pek çok su birikintisi donup katı hale gelir ve içerisindeki bütün yaşamı öldürürdü.
Suyun “en yüksek yoğunluğu” da aynı olgunun ürünüdür. Donma noktasına yakın olan su molekülleri, yerel olarak buz benzeri yapılar halinde dizilmeye başlarlar. Bu durum, sıvı suda biraz “açıklık” oluşturur ve suyun yoğunluğunu azaltma eğilimi gösterir. Soğumanın normalde yoğunluğu artırma eğilimi, bu duruma zıtlık oluşturur; bu zıtlık eğilimleri, yaklaşık 4 derecede dengelenir ve en fazla yoğunluk oluşur.
Uluslararası Su ve Buharın Özellikleri Birliği
Hep merak edilen bu soruya verdiğiniz cevap için teşekkürler. Bir de ılık suyun, soğuk suya göre daha çabuk donmasının (Mpeba effet) sebebini açıklayabilir misiniz? Su gerçekten ilginç bir madde. Yanlış hatırlamıyorsam yüzden fazla farklı davranışı var.