CANLILIĞIN HAYATİ ÖZÜ: SU

Su, canımızın canlılığın hayati özüdür. Basit yapılı bir molekül olmasına rağmen, bilim adamları, suyun gizemini, hala tam olarak çözebilmiş değiller. Yeryüzündeki hayatın temeli olan suyun, oluşabilmesi son derece zordur. Öncelikle, suyun bileşenleri olan, hidrojen ve oksijen moleküllerini, bir cam kabın içine koyalım. O kabın içinde, çok uzun bir süre bırakalım. Bu gazlar, kabın içinde yüzlerce yıl geçse bile, hiçbir zaman su oluşturamayabilirler. Oluştursalar da, çok yavaş olarak, binlerce yıl sonra, kabın dibinde çok az su fark edilecektir. Böyle bir durumda, suyun bu derece yavaş oluşmasının sebebi, düşük sıcaklıktır. Oda sıcaklığında, oksijen,hidrojen çok yavaş tepkimeye girerler.

HİDROJEN VE OKSİJEN ÇARPIŞARAK BİRLEŞİR
Oksijen ve hidrojen, serbest halde iken; H2 ve O2 molekülleri halinde bulunurlar. Bu moleküllerin, su molekülünü oluşturmaları için, ancak çarpışarak birleşmeleri gerekir. Bu çarpışma sonucunda, hidrojen ile oksijen molekülünü oluşturan bağlar zayıflar. Oksijen ve hidrojen atomlarının birleşmesine engel kalmaz. Sıcaklık, bu moleküllerin enerjisini, dolayısıyla hızlarını arttırdığı için, çarpışmalarının sayısını da büyük ölçüde arttırır. Böylece, sıcaklık, tepkimenin hızlı ilerlemesini sağlar. Ancak şu anda yeryüzünde, suyun oluşmasını sağlayacak kadar yüksek ısı yoktur. Suyun oluşması için gerekli olan ısının, Dünya'nın başlangıcında sağlandığı düşünülmektedir. Dünyanın, dörtte üçlük kısmını meydana getiren suyun, bu devrede oluştuğu, tahmin edilmektedir. Daha sonra su, Dünya'da devri daim halinde dolaşmaktadır. Buharlaşarak atmosfere yükselen su, orada soğuyarak, yağmur şeklinde, yeniden yeryüzüne dönmektedir. Böylece, bu döngü, adeta bir devri daim makinesi olarak çalışmaktadır.
HİDROJEN VE OKSİJEN ÇARPIŞARAK BİRLEŞİR
Oksijen ve hidrojen, serbest halde iken; H2 ve O2 molekülleri halinde bulunurlar. Bu moleküllerin, su molekülünü oluşturmaları için, ancak çarpışarak birleşmeleri gerekir. Bu çarpışma sonucunda, hidrojen ile oksijen molekülünü oluşturan bağlar zayıflar. Oksijen ve hidrojen atomlarının birleşmesine engel kalmaz. Sıcaklık, bu moleküllerin enerjisini, dolayısıyla hızlarını arttırdığı için, çarpışmalarının sayısını da büyük ölçüde arttırır. Böylece, sıcaklık, tepkimenin hızlı ilerlemesini sağlar. Ancak şu anda yeryüzünde, suyun oluşmasını sağlayacak kadar yüksek ısı yoktur. Suyun oluşması için gerekli olan ısının, Dünya'nın başlangıcında sağlandığı düşünülmektedir. Dünyanın, dörtte üçlük kısmını meydana getiren suyun, bu devrede oluştuğu, tahmin edilmektedir. Daha sonra su, Dünya'da devri daim halinde dolaşmaktadır. Buharlaşarak atmosfere yükselen su, orada soğuyarak, yağmur şeklinde, yeniden yeryüzüne dönmektedir. Böylece, bu döngü, adeta bir devri daim makinesi olarak çalışmaktadır.



SUYUN KİMYASAL YAPISI



Su, kimyasal olarak pek çok olağanüstü özelliğe sahiptir. Her bir su molekülü, 2 hidrojen ve 1 oksijen atomunun birleşmesiyle oluşmaktadır. Biri yakıcı, diğeri de yanıcı olan iki gazın, birleşerek suyu oluşturuyor olmaları, oldukça ilginçtir. Hidrojen atomunun çekirdeğinin etrafında, yalnız bir elektron vardır. Hâlbuki bu tabakada, normal olarak iki elektron olması gerekir. Eğer hidrojen atomu, bir elektron daha alacak olursa; bu tabaka, elektron bakımından dolacak ve hidrojen daha kararlı bir yapı kazanacaktır. Oksijen atomunun ise, ilk yörüngesinde 2, ikinci yörüngesinde 6 elektron olmak üzere, toplam 8 elektron bulunur. Ancak oksijenin, daha kararlı bir hale gelmesi için, son yörüngesini, 8'e tamamlaması gerekmektedir. Oksijen atomu, dış yörüngesindeki boş olan iki elektronun yerini, iki ayrı hidrojen atomunun elektronlarıyla doldurur. Aynı anda oksijen atomunun, dış yörüngesindeki iki elektron, iki hidrojen atomunun yörüngelerinde boş olan birer elektronun yerini doldurur. Böylece, oksijen ve hidrojen atomları, elektronlarını, ortaklaşa kullanarak; oldukça kararlı bir su molekülünü oluştururlar.

KOVALENT BAĞLAR

Bu şekilde, atomların, birbirlerinin elektronlarını, ortak kullanmalarıyla oluşan bağa, kovalent bağ denir. Kovalent bağlar, kuvvetli bağlardır. Bu bağların kırılması için, yaklaşık 50-110 kcal/mol'lük bir enerji gerekmektedir. Bu nedenle, sağlamdırlar ve genellikle kendiliklerinden kopmazlar. Kovalent bağlar, iki hidrojen atomunu, oksijen atomuna, 0.96°A uzaklıkta bağlar ve 105°C'lik bir açı ile ayrılırlar. Su molekülü, V şeklindedir. Kovalent bağlarda, bağlayıcı kuvvet, ortak kullanılan elektronların, her iki atomun çekirdeği tarafından çekilme kuvvetleridir. Bir bağda, negatif yüklü elektron, bir atomdan diğerine daha yakın bulunacak olursa, bu bağa polar kovalent bağ adı verilmektedir.

HİDROJEN BAĞI

Oksijen atomu, hidrojenden daha büyük olduğundan, hidrojen elektronlarına yaptığı çekim etkisi, daha büyüktür. Böylece elektronlar, daha büyük olan oksijen atomunun yapısına yakın, hidrojen atomundan uzakta olacak şekilde çekilmektedirler. Sonuçta, suyun oksijen tarafında eksi yüklü iki bölge ile, hidrojen tarafında artı yüklü iki bölge oluşur. Birden fazla su molekülü, bir araya geldiğinde, artı ve eksi yükler birbirini çekerek; "hidrojen bağı" denen çok özel bir bağ oluştururlar.

Dolayısıyla her su molekülündeki oksijen, iki hidrojen bağının alıcısı, ikisinin de vericisi konumundadır. Her su molekülünün, dört komşu molekülle hidrojen bağı oluşturma yeteneği vardır. Ancak son yıllarda, ABD'li, Alman, İsveç ve Norveçli bilim adamlarından oluşan bir ekip, sıvı haldeki suyun yapısıyla ilgili yüz yıllık bilgilerin, yanlış olabileceğini iddia etmektedir. Bu araştırma grubu, sinkroton x-ışınları'ndan yola çıkarak, yaptıkları çalışmada, 'bir su molekülünün hidrojen bağıyla, 2 ayrı molekülle birleştiği' tezini ortaya atmıştır. Ancak, konu ile ilgili tartışmalar, halen yoğun bir şekilde sürdüğü için, kimya kitaplarının henüz değişmesi söz konusu değildir.

Bir hidrojen atomu, kendi molekülünün oksijenine, kovalent bağla bağlıyken, diğer bir molekülün oksijeniyle, zayıf bir bağ oluşturabilmektedir.

Buna benzer biçimde, bir molekülün oksijeni, diğer moleküllerin hidrojen taraflarıyla zayıf bir bağ oluşturabilmektedir. Su moleküllerinin, bu polar(kutuplu) yapıya sahip olmaları sebebiyle, su, devamlı bir kimyasal oluşum olarak, varlığını sürdürmektedir. Suyun kutuplu yapısı, suyu, hayatın vazgeçilmez maddesi yapan, en önemli özelliğidir.

SU EVRENSEL BİR ÇÖZÜCÜDÜR

Herhangi bir molekülün pozitif yüklü kısımları, suyun oksijeniyle, negatif yüklü kısımları da, hidrojeniyle bağ kurar. Çoğu zaman bu bağlar, o molekülü, bağlı bulunduğu diğer moleküllerden ayıracak kadar güçlüdür. Böylece çözülme dediğimiz olay gerçekleşir. Su, fiziksel özellikleri dolayısıyla, evrensel bir çözelticidir. Teorik olarak her madde, su içerisinde, az veya çok çözünür. Yapı itibarıyla, iki hidrojen atomuyla birleşen başka elementler de vardır; ancak dipol (ikiz elektrik kutbu) oluşturmadıkları için, su moleküllerinin, fiziksel özellikleri, bu elementlerde yoktur. Dolayısıyla, eğer suyun bağları, kutupsuz olsaydı, acaba hayat olur muydu, yahut nasıl olurdu?

HİDROJEN BAĞLARI VE AKIŞKANLIK

Hidrojen bağı, çok zayıf bir bağdır ve ömrü aklımızın kavrayamayacağı kadar kısadır. Bir hidrojen bağının ömrü, yaklaşık olarak, bir saniyenin yüz milyarda biri kadardır. Ancak çok büyük sayılarda oldukları zaman, bulundukları bileşiğin özellikleri üzerinde çok önemli bir etkiye sahip olurlar. Yapısal durumu ile su, çok değişik katı maddeleri çözebilmekte ve biyolojik çözücü olarak görev yapmaktadır. Bağlardan biri kırıldığında, hemen bir diğer bağ oluşur. Bireysel moleküllerdeki bağ değişse de, tüm sistemde hidrojen bağı miktarı sabit kalır. Böylece su molekülleri, birbirlerine yapışırken, diğer taraftan, zayıf bir bağla birbirlerine bağlandıklarından, akışkan olurlar. Bu bağlar, tam da gereken miktarda yapışkanlığa sahiptirler. Bağlar, daha da zayıf olsaydı, su molekülleri, parçalanır ve işe yaramaz hale gelirdi. Olduğundan güçlü olsalardı, su yeterince akışkan olmazdı.

SU DÜZENLEYİCİ  ROL OYNAR

Sıvı haldeki su, oldukça hiperaktif görülebilir. Oraya buraya sıçrar, akar, birikir, damlalar oluşturur. Ancak, biyokimyasal terimlerle açıklandığında, bu özellikler,  kaosun değil, düzenin işaretidir. Su, bir hücredeki proteinlerin, diziliş yapısını düzenler ve böylece yaşamın organize olmasına yardımcı olur.

SU ISITILINCA, MOLEKÜLLER HIZLANIR VE BAĞIMSIZLAŞIR

Eğer su ısıtılırsa, moleküllerin ısı enerjisi artar. Böylece, moleküllerin hareketleri de artar. Bu durum, hidrojen bağlarının oluşmasından daha çok, hidrojen bağlarının kırılması ile sonuçlanır. Su buharında, hidrojen bağları yoktur. Buna karşılık su molekülleri, bağımsız birimler halindedir. Su molekülleri arasındaki ortalama uzaklık, sıcaklıktan etkilenebilir. Sıcaklıktaki artışla, su moleküllerinin kinetik enerjileri de artar ve daha hızlı hareket ederler. Hem sıcaklık, hem de molekül hareketlerindeki artış, suyun yoğunluğunu etkilemektedir.

SUYUN SICAKLIĞI HIZLI DEĞİŞSEYDİ: YANAR VE DONARDIK

Hidrojen bağlarının, suya kattığı bir başka özellik de, suyun sıcaklık değişimlerine direnç göstermesidir. Havanın sıcaklığı aniden artsa bile, suyun sıcaklığı yavaş yavaş artar. Aynı şekilde havanın sıcaklığı, aniden düşse bile, suyun sıcaklığı yavaş yavaş düşer. Suyun sıcaklığının önemli miktarda artması için, çok büyük ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Suyun ısınması için, gerekli olan ısı enerjisinin, bu derece yüksek olması, canlı hayatında, önemli rol oynar. Örneğin, vücudumuzda çok büyük oranda su vardır. Su, eğer havadaki ani sıcaklık iniş ve çıkışlarıyla orantılı değişseydi; aniden ateşimiz çıkardı veya aniden donardık.

Aynı şekilde, suyun, buharlaşması için de, çok büyük bir ısı enerjisine ihtiyacı vardır. Su, buharlaşırken, çok ısı enerjisi kullandığı için, suyun sıcaklığında, eksilme olur. Yine, vücudumuzun normal sıcaklığı 36 derecedir ve dayanabileceğimiz en yüksek sıcaklık 42 derecedir. Aradaki bu 6 derecelik aralık, çok küçük bir aralıktır. Birkaç saat Güneş altında çalışmak, vücut sıcaklığını bu kadar arttırabilir. Ancak, vücudumuz, terleyerek; yani içindeki suyu buharlaştırarak, çok büyük miktarda ısı enerjisi harcar. Ve arkasından vücut sıcaklığı düşer. Vücudumuz, otomatik olarak çalışan böyle bir mekanizmaya, sahip olmasaydı, birkaç saat güneş altında çalışmak bile bizler için öldürücü olacaktı.

SUYUN SIVI HALİ, KATI HALİNDEN DAHA YOĞUNDUR



Hidrojen bağlarının, suya kazandırdığı bir başka olağanüstü özellik, suyun, sıvı halinde, katı haline göre, daha yoğun olmasıdır. Hâlbuki yeryüzündeki maddelerin çoğunun, katı hali, sıvı haline oranla, daha yoğundur. Ancak, su, diğer maddelerin tersine, donarken genleşir. Bunun sebebi ise, hidrojen bağlarının, su moleküllerinin birbirlerine sıkı şekilde bağlanmasını engellemesi ve arada kalan boşluktur. Su, sıvı halinde iken, hidrojen bağları kırıldığından, oksijen atomları birbirine yaklaşır ve daha yoğun bir yapı elde edilir.

BUZUN SUDAN HAFİF OLMASI NE SAĞLAR?

Bu durum, buzun, sudan daha hafif olmasını da beraberinde getirir. Normalde, herhangi bir metali eritip, içine aynı metalden birkaç katı parça atsanız, bu parçalar hemen dibe çöker. Ancak durum, suda farklıdır. On binlerce ton ağırlığındaki buz dağları, suyun üzerinde mantar gibi yüzmektedirler. Elbette suyun bu özelliğinin, anlamı ve önemi büyüktür.

Havalar çok soğuduğunda, ırmaktaki suyun tamamı değil, sadece üzeri donar. Su, +4 °C de en ağır haldedir ve bu dereceye ulaşan su hemen dibe çöker. 0°C ile +4°C arasındaki su, daha sıcak sudan hafiftir ve bu yüzdende yüzeyde kalır. Suyun üzerinde, 'katman halinde buz' oluşur. Bu katmanın altında su akmaya devam eder. +4°C, canlıların yaşayabileceği bir sıcaklık olduğu için, sudaki canlılar, bu sayede hayatlarını sürdürürler.

SUYUN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

Su, bütün sıvılar içinde, doğada en çok bulunan maddedir. Su, çok yaygın bulunması nedeni ile adeta -değersiz- olarak düşünülür. Oysaki su, benzer molekül yapısı ve ağırlığına sahip bileşiklerden özellikleriyle, ayrılmakta ve öne çıkmaktadır. Su, renksiz, kokusuz ve tatsız bir sıvıdır. Normal atmosfer koşulları altında, 100°C'de kaynar ve 0 °C'de donar. Buzun 0 °C'de iken, sıvı haline dönüşmesi için, hidrojen bağlarının kırılması gerekir ve bu nedenle enerjiye gerek vardır. Buz, sıvıya dönüşünceye kadar sıcaklıkta değişme olmaz. Suyun, kaynama sıcaklığı, hava basıncına bağlı olarak değişir. Hava basıncı düştükçe suyun kaynama sıcaklığı da düşer. Yükseklere çıktıkça hava basıncı düştüğü için, buralarda su, 100 °C'den daha düşük sıcaklıklarda kaynamaya başlar. Su kaynadıktan sonra, sıcaklığı artmaz. Hidrojen bağlarının uzunluğu, nedeni ile suyun donma ve kaynama noktaları, benzer bileşiklerden daha yüksektir

SUYUN YÜZEY GERİLİMİ

Bir su kütlesinin içindeki bir su molekülü, her yönden komşu moleküllerden gelen ve birbirlerini karşılayan, aynı büyüklükte, çekim kuvvetlerinin (hidrojen bağları) etkisi altındadır. Su yüzeyindeki bir molekül ise, içeriye doğru tek yanlı bir kuvvet tarafından etkilenir. Böylece yüzey molekülleri, aşağıya doğru, bir lastik zarın yaptığı gibi, çekim kuvveti uygularlar. Böylece, gergin bir yüzey oluşur. Tüm bunlar, su moleküllerinin, birbirine tutunma özelliği (kohezyon) sayesinde olur.

SONUÇ

Görüldüğü gibi, Dünyamızda bol miktarda bulunan ve değeride yeterince bilinmeyen su, insan sağlığı, yaşamı ve canlılar açısından, çok önemli ve hayati görevler üstlenmiştir. Ancak bugün, kıymeti bilinmemektedir. Dünyamızdaki suyun azalması, canlıların ihtiyacını karşılayamayacak şekilde kirlenmesi halinde, belki insanoğlu hayati önemini, kavrayacak ama, o zamanda iş işten geçmiş olacaktır.