Su Damlaları Neden Küresel Şekil Alır ve Düşmemeyi Nasıl Başarır?

Su yaşam kaynağımız ama su hakkında ne kadar bilgiye sahibiz? Yağmur yağdıktan sonra bir çiçekte asılı kalan su damlacıklarını hayranlıkla izleriz ama bu su damlacıklarının küresel bir şekil almasının ya da bir süre de olsa yerçekimine karşı koyuşlarının nedeni nedir acaba?

Suyun Bazı Kimyasal ve Fiziksel Özellikleri

Öncelikle suyun bazı kimyasal ve fiziksel özelliklerine göz atalım. Saf suyun kimyasal formülü H₂O’dur yani bir H₂O molekülü, iki tane hidrojen (H) ve bir tane oksijen (O) atomundan oluşur. Hidrojen ve oksijen elementlerinin ikisi de ametal oldukları için bu atomlar arasında oluşan bağlar kovalent bağdır. H₂O molekünde iki tane kovalent bağ bulunur.

Chemistry

Kovalent bağ kimyasal bir bağdır ve elementlerin dış yörüngelerindeki değerlik elektronlarının ortaklaşa kullanılması ile oluşur. Hidrojenin atom numarası 1’dir, yani proton ve elektron sayısı 1’dir. Değerlik elektronu sayısı da 1 olduğundan bir tane bağ yapar. Oksijenin atom numarası 8, yani proton ve elektron sayısı da 8’dir. İki tane enerji düzeyi bulunan oksijenin elektronlardan 6 tanesi ikinci enerji düzeyinde olduğundan değerlik elektronu sayısı 6’dır ama eşleşmemiş değerlik elektron sayısı 2 olduğundan iki tane bağ yapar.

Chemistry

Oksijen dış yörüngesindeki (1s² 2s² 2p⁴) altı değerlik elektronundan ikisini bağ yapımında kullanır ve geriye 4 elektronu kalır. Bu elektronlar H₂O’nun polar bir molekül olmasını sağlayarak suyun bizi şaşırtan bir sürü özelliğe sahip olmasını sağlar. Yukarıdaki şekilde oksijen atomunun fazla elektronlarının nasıl bir kutuplaşma yarattığını görüyoruz.

Peki Su Molekülleri Nasıl Bir Arada Durur?

Chemistry

H₂O molekülü nötrdür fakat negatif yüklü oksijen atomu ile komşu su molekülündeki pozitif yüke sahip hidrojen atomu birbirlerini çeker. Dolayısıyla su moleküllerini bir arada tutan bağlar oluşur ki bu bağa hidrojen bağı denir. Hidrojen bağı fiziksel bir bağdır çünkü bir etkileşim sonucunda oluşmuştur ve zayıf bir bağdır.

Su Damlaları Neden Küresel Şekil Alır?

1 mol yani 18 gram suyun içinde yaklaşık 6×10^23 (Avogadro sayısı) kadar su molekülünün bulunduğunu düşünürsek, bir damla suda kabaca milyarlarca su molekülünün bulunabileceğini aklımızdan geçirebiliriz. Bu su molekülleri, hidrojen bağları ile birbirine bağlı olup bir arada durmak isterler.

Chemistry

İç tarafta bulunan su molekülleri etraflarındaki su molekülleri tarafından çekilirken, yüzeyde bulunan su molekülleri sadece iç taraftaki moleküller tarafından çekilir. Bu da yüzeyde bir gerilme oluşturup yüzeyin en az alana sahip olmasını sağlar. Yüzey alanı en düşük olan şekil ise küredir. Dolayısıyla su damlası küresel bir şekil alır ve yüzeyi gerilmiş esnek bir zar gibi davranır.

Meltem Çetin Sever

Adezyon ve Kohezyon Nedir?

Kohezyon su moleküllerinin birbirini çekmesidir. Dolayısıyla su molekülleri bu çekim kuvvetleri sayesinde dağılmadan küresel şekilde kalabilirler. Su moleküllerinin başka maddelerin molekülleri ile olan çekim kuvvetleri ise adezyondur. Adezyon ile su moleküllerinin nasıl farklı yüzeylerde düşmeden kalabildiğini açıklayabiliriz.

Meltem Çetin Sever

Yukarıdaki fotoğrafta yağmur yağdıktan sonra camda asılı kalan su damlacıklarını görüyoruz. Bu olayda hem su moleküllerinin kendi aralarındaki çekim kuvvetlerinden kaynaklı kohezyonu, hem de camda yapışık halde kalmasından kaynaklı adezyonu gözlemleriz.

Yağmur Damlalarının Şekli Nasıldır?

Yağmur damlası düşmeye başladığında yüzey geriliminden kaynaklı küresel şekildedir. Yağmur damlası düşmeye devam ederken küresel şeklini kaybeder ve bir süre sonra hamburger ekmeğinin üst yarısı gibi, alttan düz üstten bombeli bir şekil alır. Yağmur damlasının alt tarafındaki hava akımı üst taraftan daha fazladır. Dolayısıyla, üst tarafta daha az hava basıncı oluşur ve yüzey gerilimi üst tarafı küresel hale getirir; diğer kuvvetler yani hava akımı alt tarafı düzleştirir.

Science ABC

Yağmur damlaları büyüdükçe, damlaya uygulanan hava basıncı da artar. Dolayısıyla, alttaki basıncın artması ile alt taraftan içe doğru çökmüş bir şekil alır. Damla daha da büyüdükçe bu çöküklük artar ve bir süre sonra yağmur damlası ikiye bölünür.

Science Notes

Sonuç

Bu yazıda su damlacıklarının neden küresel şekil aldıklarını ve bir süreliğine de olsa nasıl asılı kalabildiklerini inceledik; yüzey gerilimi su damlacıklarının nasıl küresel şekil aldığını, adezyon ve kohezyon ise nasıl asılı kalabildiklerini açıklıyor. Bu olay, suyu diğer moleküllerden farklı kılan özelliklerden sadece bir tanesidir.