Buz Neden Suyun Üzerinde Yüzer? Suyun Sıra Dışı Bir Özelliği

Bir bardak suya buz attığınızda buz küpleri dibe çökmez, yüzeyde yüzer. O kadar alışığız ki bunun ne kadar tuhaf bir durum olduğunu çoğu zaman fark etmeyiz. Doğadaki maddelerin büyük çoğunluğu sıvı halden katı hale geçtiğinde daha sıkı paketlenir, yani yoğunlaşır ve kendi sıvısının içinde batar. Su ise bu kuralın en bilinen istisnasıdır. Bu yazıda buzun neden yüzdüğünü ve bu küçük ayrıntının dünyadaki yaşam için neden bu kadar önemli olduğunu anlatıyoruz.

Yüzmenin kuralı: yoğunluk

Bir cismin bir sıvıda yüzüp yüzmeyeceğini belirleyen temel ölçü yoğunluktur. Yoğunluk, belirli bir hacimde ne kadar kütle bulunduğunu gösterir. Bir cisim içine konduğu sıvıdan daha az yoğunsa yüzer, daha yoğunsa batar. Bu ilkeyi ilk kez açıkça ifade edenlerden biri, antik çağda yaşamış Arşimet’tir.

Sıvı suyun yoğunluğu yaklaşık olarak santimetreküp başına 1 gramdır. Buzun yoğunluğu ise bunun yaklaşık yüzde 90’ı kadardır. Başka bir deyişle, aynı miktar su donduğunda yaklaşık onda bir oranında daha fazla yer kaplar. Bu yüzden buz, suyun üzerinde yüzer ve hacminin büyük kısmı suyun altında, küçük bir kısmı üstünde kalır.

Şimşek ile Gök Gürültüsü Arasındaki Fark: Fırtınanın Uzaklığı Nasıl Hesaplanır?

×

Su donarken neden genleşir?

Bu davranışın sırrı, su molekülünün şeklinde ve moleküller arasındaki özel bağlarda saklıdır.

Bükük bir molekül

Bir su molekülü, bir oksijen ve iki hidrojen atomundan oluşur. Atomlar düz bir çizgi üzerinde değil, “V” harfine benzer açılı bir düzende dizilir. Oksijen atomu elektronları kendine doğru daha güçlü çektiği için molekülün oksijen tarafı hafif negatif, hidrojen tarafları ise hafif pozitif yüklüdür.

Hidrojen bağları

Bu yük farkı sayesinde bir molekülün hidrojen ucu, komşu molekülün oksijen ucuna çekilir. Bu çekime hidrojen bağı denir. Sıvı suda hidrojen bağları sürekli kopar ve yeniden kurulur; moleküller birbirinin etrafında serbestçe dolaşır ve aralarındaki boşlukları doldurabilir.

Açık, düzenli bir kafes

Sıcaklık düştükçe moleküllerin hareketi yavaşlar ve donma noktasında her molekül dört komşusuyla sabit hidrojen bağları kurar. Bu bağlar belirli açılarla oluştuğu için moleküller altıgen desenli, içinde bolca boşluk bulunan bir kafes yapısına yerleşir. Kar tanelerinin altıgen simetrisi de bu yapının bir yansımasıdır. Kafesin içindeki boşluklar nedeniyle buz, aynı miktardaki sıvı sudan daha fazla yer kaplar.

Su en yoğun haline 4 derecede ulaşır

Suyun ilginç davranışı donma noktasında başlamaz. Sıvı su soğutuldukça önce diğer sıvılar gibi büzülür ve yoğunlaşır. Ancak yaklaşık 4 °C’ye gelindiğinde bu eğilim tersine döner: su daha fazla soğudukça moleküller buza benzer düzenli kümeler oluşturmaya başlar ve yoğunluk yeniden azalır. Yani saf su, en yoğun haline donma noktasında değil, yaklaşık 4 °C’de ulaşır.

Göller neden üstten donar?

Bu özelliğin en önemli sonucu, soğuk iklimlerdeki göllerde ve nehirlerde görülür. Kış geldiğinde yüzeydeki su soğur ve 4 °C’ye kadar yoğunlaşıp dibe çöker. Bütün göl bu sıcaklığa ulaştıktan sonra yüzeyde soğumaya devam eden su artık daha hafiftir ve yukarıda kalır. Sonunda yüzey donar ve oluşan buz tabakası suyun üzerinde yüzer.

Buz iyi bir yalıtkandır. Yüzeydeki buz tabakası, altındaki suyun soğuk havayla temasını keser ve gölün derin kısımlarının donmasını büyük ölçüde engeller. Böylece göl dibinde balıkların ve diğer canlıların kışı geçirebileceği görece ılık bir su katmanı kalır. Buz suya batsaydı, her kış oluşan buz dibe çöker, göller tabandan yukarı doğru donar ve pek çok su ekosistemi bugünkü haliyle var olamazdı.

Gündelik hayatta suyun genleşmesi

Donan borular patlar

Çok soğuk gecelerde dış ortamdan geçen su borularının ya da sayaçların patlamasının nedeni budur. Borunun içindeki su donarken genleşir ve kapalı bir alanda ortaya çıkan bu basınç, metal ya da plastik boruyu çatlatabilir. Soğuk bölgelerde açıktaki boruların yalıtılması ve uzun süre kullanılmayacak tesisatın suyunun boşaltılması bu yüzden önerilir.

Dondurucudaki cam şişe

Soğusun diye dondurucuya konup unutulan cam şişelerin patlaması da aynı nedene dayanır. İçecek donarken genleşir ve şişe bu genleşmeyi kaldıramaz. Yiyecekleri dondururken kapların tamamen doldurulmaması, üstte biraz boşluk bırakılması da bu yüzden tavsiye edilir.

Kayaların parçalanması

Doğada da benzer bir süreç işler. Kayaların çatlaklarına dolan yağmur suyu gece donar, genleşir ve çatlağı biraz daha açar. Gündüz eriyen su daha derine sızar, gece yeniden donar. Yıllar boyunca tekrarlanan bu döngü, büyük kayaların parçalanmasına ve toprak oluşumuna katkıda bulunur. Jeologlar bu olaya donma-çözülme ayrışması der.

Buzdağının görünen kısmı

“Buzdağının görünen kısmı” deyimi, bir sorunun ya da durumun yalnızca küçük bir bölümünün fark edildiğini anlatmak için kullanılır. Deyim fiziksel gerçeğe dayanır: tatlı sudan oluşan buzdağlarının yoğunluğu deniz suyuna yakın olduğu için hacimlerinin büyük çoğunluğu suyun altında kalır. Gemiciler için buzdağlarını tehlikeli yapan da tam olarak budur; yüzeyde küçük görünen bir buz kütlesinin altında çok daha büyük bir kütle bulunabilir.

Bu davranış yalnızca suya mı özgü?

Tamamen değil. Silisyum, germanyum, galyum ve bizmut gibi birkaç madde de katılaşırken genleşir. Ancak bu maddeler günlük hayatımızda suyun rolüyle kıyaslanamayacak kadar az yer tutar. Suyun bu özelliği, iklimden canlılara kadar pek çok şeyi doğrudan etkilediği için bilim insanları tarafından en çok ilgi gören “anomalilerden” biridir.

Evde yapabileceğiniz basit bir deney

Suyun donarken genleştiğini görmek için özel bir düzeneğe gerek yok. Plastik bir bardağı ağzına kadar değil, yaklaşık üçte ikisine kadar su ile doldurun ve suyun seviyesini bardağın dışına kalemle işaretleyin. Bardağı dondurucuya koyup su tamamen donana kadar bekleyin. Çıkardığınızda buzun yüzeyinin işaretin üzerine çıktığını ve ortada hafifçe kabardığını göreceksiniz.

İkinci bir deney için bir bardak suya bir buz küpü atın ve suyun seviyesini işaretleyin. Buz eridiğinde su seviyesinin neredeyse hiç değişmediğini fark edeceksiniz. Bunun nedeni, yüzen buzun tam olarak kendi ağırlığı kadar suyu yerinden etmesidir. Eridiğinde de bu hacme denk gelen suya dönüşür.

Sık sorulan sorular

Tuzlu su da aynı şekilde mi donar?

Deniz suyu, içindeki tuzlar nedeniyle 0 °C’nin birkaç derece altında donar. Deniz suyu donarken tuzun büyük kısmı dışarıda kalır; bu yüzden deniz buzu, çevresindeki sudan çok daha az tuzludur ve o da suyun üzerinde yüzer.

Batan bir buz türü var mı?

Evet. Hidrojen yerine daha ağır bir izotop olan döteryum içeren “ağır su”dan yapılan buz küpleri, normal suyun içine atıldığında dibe çöker. Ayrıca çok yüksek basınç altında oluşan bazı buz türleri de sıvı sudan daha yoğundur, ancak bunlar gündelik koşullarda karşılaştığımız buzlar değildir.

Buz küpleri neden bazen bulanık olur?

Musluk suyundaki çözünmüş havalar ve mineraller, su dışarıdan içeriye doğru donarken ortada sıkışıp kalır. Bu küçük hava kabarcıkları ışığı saçtığı için buzun ortası beyaz ve bulanık görünür. Daha önce kaynatılıp soğutulmuş su ya da yavaş dondurma yöntemleriyle daha berrak buz elde edilebilir.

İlgili yazılar

• Deniz suyu neden tuzludur?
• Buzdolabı nasıl düzenlenir?