Kar Tanesi Nasıl Oluşur? Kar Taneleri Neden Hep Altı Kenarlıdır?

Bütün kar tanelerinin altı kenarı olduğu herkesçe bilinen bir gerçektir. Google’ınsa bugüne kadar çizdiği temalı logolarında (Doodle’larda) en az iki kez sekiz kenarlı kar tanesi kullanma nedeni ise merak konusudur. Bilim insanlarının bütün kar tanelerinin altı kenarı olduğundan nasıl bu kadar emin oldukları ise bir başka merak konusudur.

Bütün kar tanelerini inceledik mi? Tabii ki hayır, ancak bu durumun açıklaması iki sözcükte yatmaktadır: hidrojen bağı. Hidrojen bağının moleküller arası kuvveti sayesinde bütün kar tanelerinin altı kenarı vardır, ayrıca bildiğimiz şekliyle yaşamı hidrojen bağı mümkün kılmaktadır. Bu nedenle önemli bir bağdır.

Bununla birlikte su moleküllerinin yapısını anlamadan hidrojen bağını tam olarak anlayamazsınız. Su, çok basit bir molekül gibi görünür ve bir oksijen atomu ile ona bağlı iki hidrojen atomundan oluşur. Hidrojen atomları, oksijen atomuna birbirinden tam olarak 104,5 derece uzaklıkta olacak şekilde bağlanır (1). Neden tam bu açı?

Bir oksijen atomu toplam sekiz elektrona sahiptir. Bunlardan ikisi, atomun çekirdeğine en yakın kabuktaki mevcut noktaları kaplar. Kalan altı elektron atomun en dıştaki (değerlik) elektron kabuğuna gönderilir. Ancak bu kabuk aslında sekiz elektron alabileceğinden iki nokta boş kalır. Bir hidrojen atomu ise tek elektron kabuğunda bir adet elektrona sahiptir, bu kabukta iki elektron için yer olduğundan bir yer boş kalır.

Oksijenin iki boş yeri, hidrojenin de bir boş yeri olduğu için oksijen, boş yerlerini iki hidrojen atomuyla paylaşabilir. Her iki hidrojen atomu tek elektronlarını oksijenle paylaşır, oksijen de her bir hidrojen atomuyla bir elektron paylaşır. Bununla birlikte oksijenin kalan dört elektronu bu paylaşım düzeninin dışında kalır. Elektronlar çiftler halinde bulunmayı tercih ettiklerinden paylaşılmayan bu dört elektron iki çift oluşturur.

Yalnız başına duran bu iki çift ile her biri bir hidrojenle paylaşılan diğer iki elektron, su molekülünün dörtyüzlü (tetrahedron) (üçgen tabanlı piramit) şeklini oluşturur, bu dörtyüzlüde oksijen çekirdeğinden çıkan dört bağlantı bulunur. Bu bağlantıların ikisi, her biri iki elektron (elektron çiftleri) içeren elektron bulutlarıdır, diğer iki bağlantı ise oksijen ve hidrojen yörüngelerinde birlikte dolanan iki elektronlu hidrojen atomlarıdır. Düzgün bir dörtyüzlüde bütün bağlantılar birbirinden 109,5 derece uzaklıkta olmalıdır. Ancak su molekülünde hidrojen atomları birbirinden 104,5 derece uzaklıktadır, çünkü çift halindeki iki elektron bulutu daha fazla yere sahip olmak ister ve hidrojen atomlarıyla paylaşılan elektronları birbirine daha yakın olmaya zorlar.

Böylece hidrojen ve oksijenin kovalent bir bağ oluşturduğunu, yani elektronlarını paylaştıklarını öğrenmiş olduk. Ama ayrıca oksijenin o elektronuna daha sıkı tutunmak istediğini, yani paylaşımın tam eşit olmadığını da söylemeliyiz. Oksijen, elektronuna daha kuvvetli tutunur ve negatif yükü hidrojenlerden uzaklaştırıp kendisine doğru çeker. Bunun sonucunda hafifçe negatif bir oksijen ve hafifçe pozitif hidrojenler oluşur.

Her hidrojenle bağlandığı yerin tam karşısında olmak üzere, oksijenin negatif yüklendiği iki alan vardır. Su molekülleri, bu hafif yüklü alanları kullanarak diğer moleküllerle oldukça kuvvetli bir bağ oluşturur, bu bağa hidrojen bağı denir. Hidrojen içeren her molekül, diğer moleküllerle bu tür bir bağ oluşturamazken böyle eşit olmayan bir paylaşım içindeki hidrojen içeren moleküller bu bağı oluşturabilir.

Su moleküllerinin diğer su moleküllerine bağlantısında, oksijenin hafifçe negatif iki alanından her biri diğer su molekülündeki hafifçe pozitif bir hidrojenle bağlanır. Hafifçe yüklü dört alanın hepsi hidrojen bağıyla diğer su moleküllerine bağlandığında bir dörtyüzlü (dört yüzlü piramit) şekli ortaya çıkar.

Bu bağlar suyu olağandışı bir madde yapar. Sıcaklık düşüp de su katılaşmaya başladığında hidrojen bağı önemini göstermeye başlar ve buz kristallerinin şeklini belirler. Her su molekülünün başka dört su molekülüyle dörtyüzlü bir düzende bağlandığını öğrenmiş oldunuz.

Su donarken bu dörtyüzlüler birbirine yaklaşır ve altı halkalı ve altıgen biçimli bir yapıda kristalleşir. Bu yapının nasıl oluştuğunu görmek için görsele bakınız. Altıgenin her noktası, bir oksijen atomu; her kenarı, bir oksijene bağlı bir hidrojendir. Su donma sıcaklığına yaklaşırken su molekülleri bu dörtyüzlü düzende kristalleşmeye devam eder.

Fakat su, diğer maddelerden farklı bir şey yapar. Donmaya yaklaştıkça büzülmeye devam etmek yerine, yaklaşık 4 ile 0 santigrat derece arasında, moleküllerin hareketi soğumayla birlikte yavaşladığı ve hidrojen bağları, molekülleri birbirinden olabildiğince uzaklaştırdığı için, yavaşça genişler. Bu, dirsekleri bükük insanların el ele tutuştuğu ve sonra yavaşça birbirinden en uzak mesafede olacak şekilde kollarını tümüyle uzatarak düzleştirdiği bir halkaya benzer. Su molekülleri bunu yaptığında altıgen yapı genişleyerek daha da büyük bir altıgen yapıya dönüşür.

Bu sürecin sonunda altı kenarlı kar tanesi oluşur; yani büyük, muhteşem bir buz kristali. Buz kristalleri, mineral kaya kristallerine benzer. Gördüğünüz makroskobik (büyük) şekil, mikroskobik moleküler kristal yapı tarafından belirlenir. Buz altıgen bir kristal yapıya sahiptir, kar tanesi de altıgen bir yapıya sahiptir. Sodyum klorür, diğer adıyla yemek tuzu, kübik bir moleküler yapıya sahiptir, yemeğinize serptiğiniz tuz kristalleri kübik bir şekle sahiptir:

Hidrojen bağının altı kenarlı kar tanelerini oluşturması ilginçtir (Duyuyor musun Google?), ancak bu bağın güzel kar tanelerinden çok daha önemli sonuçları vardır. Suyun sıvıdan gaza dönüşmesi sırasında bu hidrojen bağların kırılması çok fazla ısı gerektirir, bu nedenle suyun kaynama noktası benzer diğer moleküllerinkinden çok daha yüksektir. Benzer molekülleri baz alırsak, suyun kaynama noktası, 100 santigrat derece (212 fahrenhayt derece) yerine yaklaşık -80 santigrat derece (-176 fahrenhayt derece) olmalıydı.

Sonra buzun yüzdüğü gerçeği de var ki bu, suyun katın hâlinin sıvı hâlinden daha az yoğun olduğu anlamına gelir. Bir maddenin katı hâlinin su hâlinden daha az yoğun olması oldukça olağandışıdır. Fakat sıcaklık 0 santigrat dereceye yaklaşırken, bu hidrojen bağlar suyu oldukça açık, altıgen bir kristal yapıya bürünmeye zorladığından moleküller, daha yüksek sıcaklıklardaki kadar birbirine yakın bir durumda olmaz.

El ele tutuşan ve kollarını dümdüz uzatarak birbirinden mümkün olduğunca uzakta duran insanları düşününüz. Bu insanlar, birbirine çarparak dans etmeye (slam dancing yapmaya) başlarlarsa tuttukları elleri ayrılır, böylece birbirine daha çok yaklaşabilirler. Sıcaklık 4 santigrat derecenin üzerine çıktığında su molekülleri de benzer bir davranış gösterir. Buz eridiğinde hidrojen bağların bir kısmı kırılır, böylece su molekülleri birbirine yaklaşabilir. Buzdaki birbirinden uzak su molekülleri, sıvı suyun birbirine yakın moleküllerinden daha az yoğun bir madde oluşturur, dolayısıyla buz, sıvı suda yüzer.

Suyun bu özelliği, Dünya’daki yaşamın ayrılmaz bir parçasıdır. Bir tatlı su gölü donmaya başladığında buz, suyun üzerinde yüzerek alttaki suyu yalıtır (izole eder) ve suyun donmasını engeller. Göldeki balıklar, bitkiler ve diğer canlılar koruyucu ve yalıtıcı buz tabakasının altında yaşamaya devam eder. Eğer buz batacak olsaydı, bu mavi gezegen 4,5 milyar yıllık ömründeki derin donma süreleri boyunca buzlaşmış ve yaşanması mümkün olmayan bir yere dönüşürdü. Oysa buzun yüzmesi, Dünya’nın okyanuslarında yaşamın geliştiği mükemmel bir kuvöz olmasını sağlamıştır. Ve bütün bunların hepsi, oksijenin elektronlarına biraz daha fazla tutunmak istemesinden kaynaklanır.