YAŞAMIN MUCİZESİ: SU

Su ve Canlılık İçin Önemi

1963 yılında Erasto Mpemba adında Tanzanyalı bir ilkögretim öğrencisi okul projesi için dondurma yapmaya başlıyor. Daha sonraları Mpemba etkisi olarak da anılacak olan bu deney, su hakkında ilginç sonuçlar ortaya koymuş. Mpemba, küçük dondurma kaselerine kaynamış sütü boşaltıyor. Genellikle kaynamış sütü soğuduktan sonra buzdolabına koyarız. Ancak Mpemba aceleden kaynar sütle dolu kaseleri de buzluğa atıveriyor. Bir süre bekleyen Mpemba şaşırtıcı bir olguyla karşılaşıyor: Kaynar sütün soğumuş olandan daha çabuk donduğunu fark ediyor. Küçük öğrenci şahit olduklarını sınıfta öğretmeni ve arkadaşlarına aktarıyor ancak öğretmeni fizik yasalarına ters diyerek ciddiye almıyor.

İşin peşini bırakmayan öğrenci bir gün okullarına fizik semineri için gelen Denis Obsornea’ya da anlatıyor. Amatör mutfak deneyini laboratuara taşıyan Obsorne’un sonuçları altı yıl sonra Mpembanın adının da olduğu bir makalede açıklanıyor.

Literatüre Mpemba etkisi olarak giren bu olguya ait ilk gözlemler Aristo’ya ait ( M.Ö 350) . Sonrasında Francis Bacon ve Descartes de sıcak suyun soğuk sudan daha önce donduğunu kaydetmişler. Aslında bu kayıtlardaki ifadeler çok da doğru değil. Çünkü bu olgu her sıcaklıkta ve durumda gözlenemiyor. Belli başlangıç koşulları gerekiyor. Çünkü suyun konulduğu kabın şeklinden, soğuk-sıcak su arasındaki sıcaklık farkına kadar birçok etken donma süresini etkiliyor. Mpemba etkisi iki sudan bir 35 ° , diğeri 5° iken daha belirginleşiyor. Bu etki kaynamış sıcak suyun buharlaşarak kütle kaybetmesi, sıcak suyun içinde soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz olması gibi nedenlerle açıklanmaya çalışılmış, ama hiçbiri Mpemba etkisinin tek ve yeterli açıklaması olarak görülmüyor.

Suyun açıklanamayan tek olağan dışı davranışı bu değil. Suyun ısı kapasitesi beklenenin çok üstünde bir değere sahiptir. 1 gram suyun sıcaklığını 1° yükseltmek için gerekli ısı miktarı olarak tanımlanan ısı kapasitesinin yüksek olması suyun sıcaklık değişimine direndiğinin bir göstergesi. Bu aynı zamanda suyun fazla enerji depolayabildiği anlamına geliyor. Bir kilo suyu belli bir sıcaklığa yükseltmek için suya verilmesi gerekli ısı enerjisi miktarı, aynı miktarda altını aynı dereceye ısıtmak için gereken ısıdan 30 kat daha fazla. Bir başka deyişle su aynı miktardaki ve sıcaklıktaki altından 30 kat daha fazla ısı enerjisi depolayabiliyor. Bu özellik suyun ısı kalkanı ve ısı deposu olarak kullanılmasına olanak sağlıyor. Suyun bu özelliği sayesinde insanların ve büyük oranda su içeren diğer canlıların vücut sıcaklıklarında büyük değişiklikler olmuyor.

Suyun ısı kapasitesinin yüksek olması yanında ısıyı diğer sıvılardan daha iyi iletmesi de vücudumuzda ısının eşit dağılmasına yardımcı oluyor.

Suyun yüksek ısı kapasitesi ekosistemlerin devamlılıkları için de çok önemli. Sadece suyun değil su buharının da sıcaklığını değiştirmek zor. Buzun ve su buharının ısı kapasitesi suyunkinin yarısı kadardır. Yinede havada ani bir sıcaklık değişimi meydana getirmek için su buharına yüksek miktarda ısı enerjisi aktarılması gerekiyor. Bu da pek mümkün olmadığından iklim değişimleri yavaş ve sorunsuz bir şekilde gerçekleşiyor.

Suyun yüksek ısı kapasitesi okyanuslardaki ısı değişimlerini 1-2 ° C ile +35 ° C arasında sınırlıyor. Buna karşın karadaki sıcaklık değişimleri çok daha yüksek. Sibiryada -70 ° C görülürken, ekvator yakınlarında +58 ° C görülebiliyor. Dünyamızda hiç su olmasaydı karalardaki sıcaklık değişimi -200 ° C ile +200° C gibi geniş bir yelpazede gerçekleşirdi.

Suyun ısı kapasitesi bir yönüyle daha diğer sıvılardan ayrılıyor. Diğer sıvılarda ısı kapasitesi sıcaklıkla sürekli artarken, su ısıtıldığında ısı kapasitesi düşüyor; +35 ° C da en düşük değerini alıyor, ısıtmaya devam edildiğinde, tekrar yükselmeye başlıyor.

Benzer bir davranış suyun yoğunluğunun sıcaklıkla değişiminde de kendini gösteriyor. Katılar ısındıkça genleşir ve yoğunlukları düşer, ancak buz için durum böyle değil. 0° C daki buzu ısıttığımızda yoğunluğunun arttığını, +4° C de maksimum olduğunu görüyoruz. Suyun bu özelliği buzun daha az yoğun olduğu için, su üzerinde yüzmesini sağlıyor. İşte bu durum okyanuslardaki suyun derinlerden yüzeye doğru donmasını ve tüm sualtı yaşamının yok olmasını engelliyor.

Suyun yüksek ısı kapasitesi bir gölün donmasını önemli ölçüde geciktiren bir diğer etkendir.

Suyun bir başka özelliği iyi bir çözücü olmasıdır. Suda tuzlar, şekerler, proteinler, alkol, asitler ve bazı yağlar da çözünebilir. Suyun iyi bir çözücü olmasında çift kutuplu (dipole) olması önemli bir rol oynar. Örneğin suya atılan sodyum klorürün (NaCl) pozitif yüklü kısımları Na⁺, suyun Oksijeniyle, negatif olan Cl^– suyun Hidrojeniyle bağ kuruyor. Sonuçta NaCl suyun içinde çözünmüş oluyor. Suyun çift kutuplu yapısı su molekülleri ile hücre zarı arasındaki kuvveti de (adhezyon kuvveti) güçlendiriyor. Bu kuvvet sayesinde su en küçük kılcal damarlardan hücrelere kadar ulaşabiliyor.

Su benzeri çözücülere kıyasla çok yüksek erime ve kaynama sıcaklığına sahip. Suyun erime sıcaklığı kendine benzeyen moleküllere, örneğin H₂S ( Hidrojen sülfür) ve H₂Se ( Hidrojen selenür) moleküllerine kıyasla 100 ° C daha yüksekken, kaynama sıcaklığında bu fark 200 dereceye çıkıyor. Suyun sıvı halden gaz hale geçerken ki hacim değişimi de olağanüstü fazla. İşte bütün bu nedenlerle su doğada her üç fazda da (katı, sıvı, gaz) bulunabilen eşsiz bir madde özelliğine kavuşuyor. Su tahmin edilenden daha yüksek bir viskoziteye sahiptir. Bal ya da yağ kadar olmasa da benzer yapıdaki moleküllere göre oldukça yüksek bir viskozitesi var.

Hidrojen Bağlarının Önemi

Suyu oluşturan hidrojen ve oksijen elementlerinin yapısı ve oluşturdukları su molekülünün kimyası hayli iyi bilinse de, bir yığın su molekülünün bir arada nasıl durduğu yeni yeni anlaşılmaya başlıyor. Suyun tüm aykırı davranışlarının su moleküllerinin ortaklaşa davranışından kaynaklandığı düşünülüyor. Su molekülündeki iki hafif hidrojen atomu ve kütlesi hidrojene göre 16 kat daha fazla olan bir oksijen atomu arasında elektron paylaşımı söz konusudur.

Atomlar elektron paylaşarak yörüngelerindeki elektron sayısını tamamlarken aralarında oluşan kovalent bağ sayesinde birbirlerine kenetleniyor. Bir tek su molekülü değil de bir kap suda ise her bir su molekülünü diğerlerine bağlayan hidrojen bağları var. Hidrojen bağı kovalent bağa kıyasla 10 kat zayıf olsa da güçlü bir bağ olarak tanımlanıyor ve suyun olağanüstü ( garip) özellikleri bu bağın gücüne ve geometrisine bağlanıyor.

H₂O daki oksijen, etrafında bulunan iki H₂O molekülüne bağlanırken, iki hidrojenden her biri birer H₂O ya bağlanıyor. Sonuçta her bir su molekülü dört hidrojen bağıyla çevresindeki dört su molekülüne bağlanmış oluyor. Bu moleküllerin beraberce oluşturduğu geometrik yapı, köşelerine ve tam ortasına birer su molekülünün yerleştiği bir dörtyüzlü ( tetrahedral). Ancak bir kap su arka arkaya düzgün bir şekilde sıralanmış, simetrik dörtyüzlü yapılar silsilesi gibi düşünülmemelidir.

Hidrojen bağlarının kovalent bağlarla hizalandığı simetrik tetrahedral yapılar, sudakine oranla buzda daha fazla. Genellikle şekillerde buz içindeki hidrojen bağları molekül içi bağlarla aynı yönde gösterilir, fakat bu bağlar sürekli olarak sağa sola hareket ederler. Ancak bu hareketlerin zaman ortalaması şekillerde gösterildiği gibidir. Bu arada hizalanmanın gerçekleştiği anlarda hidrojen bağının kuvveti de artmaktadır. Buzu eritmek, suyu kaynatmak için hidrojen bağlarını kopartmak gerekmektedir ve suyun ısı kapasitesinin yüksek olması bu bağların kuvvetli olması ve zor kırılmasına bağlanmaktadır. Örneğin H₂S molekülleri arasındaki hidrojen bağları, hidrojen sülfür daha kütleli olmasına rağmen, H₂O dan çok daha zayıftır. Dolayısıyla suyun hidrojen bağlarını koparmak için çok daha yüksek ısı gerekmektedir. Bağlar kırılana kadar soğurulan ısı hidrojen bağlarının potansiyel enerjisini yükseltmek için kullanılıyor ve sonuçta suyun ısı kapasitesi artıyor.

Özetle, Su bazı şaşırtıcı özelliklere sahiptir:

1- Benzeri bileşikler arasında erime noktası ve kaynama noktası arasındaki en büyük sıcaklık farkı suda görülür.

2- Su basit sıvılar arasında –amonyak hariç- en yüksek özgül ısıya sahip olan sıvıdır. Bu özelliği suyun sıcaklığının çabucak ve büyük miktarda değişmesini önler.

3- Katı hale geçerken yoğunluğu azalan tek sıvıdır. Bu nedenle donarken buz suyun üstünde kalır ve derinlerdeki su sıcaklık düşüşlerinden korunur. Böylece suyun derinliklerinde hayat devam eder.

4- Suyun buharlaşma ısısı diğer sıvılarınkinden daha yüksektir. Bu özellik insanda vücut ısısının terleme ile dışarı atılmasını sağlayarak vücut sıcaklığının sabit kalmasını sağlar.

5- Çok iyi bir çözücüdür. İyonik bileşiklerin en iyi çözündüğü çözgen sudur. OH, -NH₂, -COOH gibi polar gruplar taşıyan organik moleküller suda çözünür.

6- Suyun yüksek yüzey gerilimi de canlılardaki birçok olay için önemlidir. Buna en iyi örnek, akciğer alveolleri verilebilir.

Prof. Dr. Cemil SERT

Harran Üniversitesi

Tıp Fakültesi- Biyofizik ABD