Cıva, Oda Sıcaklığında Neden Sıvıdır? Cevap: Özel Görelilik Teorisi!
Paul Dirac'ın kuantum mekaniğini Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi ile bir araya getirerek göreli kuantum mekaniğini oluşturması 20. yüzyılın biliminin en büyük anlarından biridir. Dirac'ın teorisi; elektron dönüşünü ve pozitronu tahmin etmek, atomik çarpışmaları analiz etmek ve kuantum elektrodinamiğindeki devrime öncülük etmek gibi birçok iş yaptı, ama aynı zamanda kimya için çok önemli yansımaları oldu. Ne var ki kimyadaki çoğu problemi çözmek için göreliliğin ihmal edilebileceğinin ortaya çıkmasıyla birlikte, bu yansımalar birkaç on yıl daha gündeme gelmedi. Kimyasal bağların bulunması, moleküllerin termodinamik özelliklerinin ve kimyasal tepkime hızlarının tahmin edilmesi, kimyasal proteinleri bir arada tutan moleküler gücün anlaşılması gibi problemlerin hepsi, kimyagerlerin göreliliği göz ardı etmesine rağmen çözülebildi.
Tek bir problem dışında hepsi, tabii ki. Antik çağlardan beri her çocuğun sormuş olduğu bir soru: "Cıva neden oda sıcaklığında sıvı haldedir?" Bu özelliğe sahip tek metal olan cıva, yüzyıllar boyunca insanları büyülemiştir. Yerçekimi ile akan, madeni paralara ağırlığını veren, diğer metalleri adeta sihirli bir şekilde çözebilen ve bir araya toplanıp kaldırılmaya direnen, ışıltılı bir madde. Bir termometrenin içinde kalibre edildiğinde sağlığımıza katkı sağlayabilen, bir dokuda biriktiğinde ise ölümcül olabilen bir madde. Ancak cıva hakkında en küçük bir bilgisi olan herkesin aşina olduğu tek özelliği, oda sıcaklığında sıvı halde olmasıdır.
Peki neden? Görüşüne göre, bazen bilimdeki en temel gözlemlerin bile, karmaşık ama bir o kadar da ilginç açıklamaları olabiliyor, bu da o durumlardan bir tanesi. Neyse ki bu durumun çok da karışık olmayan bir açıklaması var ve Angewandte Chemie dergisinde yayınlanan bir makale, bunu eksiksiz ve tatmin edici bir şekilde anlatıyor.[1]
Cıvanın Kimyasal Temelleri
Ama öncelikle temellere geri dönelim: Cıva bir metaldir, dolayısıyla altın, çinko ve kadmiyum gibi diğer metallerle birlikte periyodik tablonun orta kısmında bulunur:
Hatta cıva, çinko ve kadmiyum ile aynı grupta bulunmasına rağmen onlardan son derece farklıdır. Çinko ve kadmiyum oda sıcaklığında sıvı halde değildirler ve cıvadan farklı bir şekilde kristalleşirler. Ayrıca cıva periyodik tabloda altının hemen yanında bulunur, ama özellikleri tamamen birbirinden farklıdır.
Kimya derslerinden dört farklı atomik orbital çeşidinin bulunduğunu hatırlayın: s, p, d ve f orbitalleri. Bu orbitaller, farklı kuantım sayıları ve farklı şekilleriyle birbirinden ayırt edilirler. Metaller, çok sayıda ve dolu d orbitaline sahip olmalarıyla karakterize edilir. Ayrıca, dolu orbitaller, özel bir stabilitenin varlığını ima eder. Cıvayı komşularından ayırt eden tek olgu, en dıştakı 6s atomik orbitalinin dolu olmasıdır. Bu, o yörüngedeki elektronlarının mutlu bir şekilde birbirleriyle eşleştikleri ve komşu cıva atomlarıyla paylaşılmaya isteksiz oldukları anlamına gelir.
Görelilik teorisinin devreye girdiği yer, cıvadaki elektronların kütlelerinde ve atom yarıçaplarında meydana gelen, ve derin etkileri olan, küçük değişikleri de hesaba katmasıdır.
Özel Görelilik Teorisi, Cıvayı Sıvı Yapıyor!
Özel göreliliğe göre, bir nesnenin hızı ışık hızına yaklaştıkça, görünen kütlesi de artar. Niels Bohr'un atom yapısı teorisinden, bir elektronun hızının, o elementin atom numarasıyla orantılı olduğunu biliyoruz. Hidrojen (atom numarası 1) gibi hafif elementler için elektron hızı, ışık hızına kıyasla önemsizdir, dolayısıyla görelilik ihmal edilebilir. Ancak cıvanın (atom numarası 80) 1s elektronunda bu etki önemli bir hale gelir. Elektron, ışık hızının yaklaşık %58'ine ulaşır, kütlesi ise, dinlenme halindeki kütlesinin 1.23 katına ulaşır. Artık göreliliğe ihtiyacımız vardır.
Bohr'un teorisinde bir elektron yörüngesinin yarıçapı kütle ile ters orantılı olduğu için, bu kütle artışı, yörünge yarıçapının %23 küçülmesine sebep olur. Bu küçülme, çok sayıda değişikliğe sebep olur: Öncelikle, küçülmeden dolayı çekirdek ve elektronlar arasında daha güçlü bir çekim oluşur. Bu çekim, en dıştaki 6s orbitali dahil bütün orbitalleri etkiler. Daha dağınık olan d ve f orbitallerinin s elektronlarını korumakta yetersiz kalması, bu etkinin katlanarak artmasına sebep olur. Bu küçülme, 6s orbitalinin dolu olmasıyla birleştiğinde, cıvayı en dıştaki elektronlarını paylaşarak diğer cıva atomlarıyla güçlü bağlar kurmaya gerçekten çok isteksiz bir hale getirir.
Cıvanın Moleküler Etkileşimleri
Küçük kümelerdeki cıva atomları arasındaki bağlar, genellikle elektron paylaşımının değil, komşu atomlarda meydana gelen yerel yük değişimleri sonucu oluşan zayıf Van der Waals kuvvetlerinin sonucudur.
Ancak bütün bunlar bir varsayımdı, birinin elementteki her bir elektronu göreli olarak ele alarak hesaplamaları titizlikle yapması ve ilgili özellikleri hesaplaması gerekiyordu. Bu durumda ilgili özellik, katıdan sıvıya geçiş gibi faz geçişleri sırasında değeri çarpıcı bir şekilde değişen ısı sığasıydı.
Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, sitemizin/uygulamamızın çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, %100 reklamsız ve çok daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.
KreosusKreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.
Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.
PatreonPatreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.
Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.
YouTubeYouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.
Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.
Diğer PlatformlarBu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.
Giriş yapmayı unutmayın!Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.
Eldeki soru basitti: En modern hesaplamaları kullanarak, ısı sığasındaki ani bir değişimi kullanarak cıvanın erime noktasını hesaplayabilir miyiz?
Angewandte Chemie dergisinde yayınlanan makalede; Yeni Zelandalı, Alman ve Fransız kimyagerler, bugüne kadarki en eksiksiz sonucu elde ettiler. Cıvanın erimesini, kuantum moleküler dinamiklerini kullanarak, Schrödinger denklemini çözerek, kuantum mekaniğinden kuvvetleri ve hızları hesaplayarak ve atomik kümelerin rastgele farklı yönelimleri örneklemesine izin vererek simüle ettiler. Hesaplamaları önce göreliliği dahil etmeden ve daha sonra dahil ederek gerçekleştirdiler - ve sonuçlar netti: Görelilik hesaba dahil edildiğinde, cıvanın erime noktası, deneyle mükemmel bir uyum içinde ve ısı sığasındaki ani bir değişiklikle birlikte 355 Kelvin'den 250 Kelvin'e düşmüştü.
Özel Görelilik, Kimyaya Işık Tutuyor!
Bu özel teorinin açıkladığı tek şey cıvanın neden oda sıcaklığında sıvı halde olduğu değildir. Aynı zamanda altının neden sarı olduğunu veya gümüşün neden beyaz olduğunu da açıklar. Bu durumda, yörüngelerin bölünmesi ve 6s orbitalinin daha düşük olan enerjisi, altının mavi ışığı soğurmasına ve sarı ile kırmızı ışık yaymasına neden olur. Gümüşte 6s seviyesi daha yüksek olduğundan, bir elektronu uyarmak için gereken enerji, spektrumda görünür bölge yerine morötesi bölgeye denk gelir. Sonuç olarak gümüş, spektrumun görünür bölgesinde renklerden yoksun olarak görünür.
İçeriklerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!
Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.
Soru & Cevap Platformuna Git- 22
- 14
- 11
- 9
- 4
- 4
- 3
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- Çeviri Kaynağı: Scientific American | Arşiv Bağlantısı
- ^ Dr. Florent Calvo, et al. (2013). Evidence For Low-Temperature Melting Of Mercury Owing To Relativity. Angewandte Chemie. | Arşiv Bağlantısı
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 06/10/2024 23:21:00 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/11665
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.
This work is an exact translation of the article originally published in Scientific American. Evrim Ağacı is a popular science organization which seeks to increase scientific awareness and knowledge in Turkey, and this translation is a part of those efforts. If you are the author/owner of this article and if you choose it to be taken down, please contact us and we will immediately remove your content. Thank you for your cooperation and understanding.