Su Kimyası: Yaşam İçin Su Neden Gerekli?
Kozan Demircan | 22/06/2020 | Bilim-Teknoloji | 1 Yorum
Su kimyası Dünya’daki yaşamın ayrılmaz bir parçasıdır. Uzayda yağlı sıvılara dayanan silisyum tabanlı canlılar olabilir ama karbon yaşam için su şarttır. Peki neden? Bunun nedeni su moleküllerinin yapısıdır. Özellikle de H2O molekülünde oksijen atomuna bağlanan 2 hidrojen atomu: Suyu protein sentezlemeden beden sıcaklığını ve metabolizma hızını düzenlemeye kadar her alanda yaşam için şart kılan şey hidrojen atomlarının elektron bağlarıdır. Öyleyse yaşamın kuantum kimyasını görelim:
Su kimyası ve hidrojen
Suyu evrenin en yararlı sıvısı kılan özellikleri moleküler yapısından, özellikle de hidrojen bağlarından kaynaklanıyor. Bunun nedeni ise H2O’nun kutupsal bir molekül olmasıdır; yani su moleküllerinin bir yanı pozitif ve bir yanı da negatif yüklüdür. Su özünde nötr bir molekül de olsa hidrojen atomlarıyla oksijeni birbirine bağlayan elektronlar, molekül çevresinde eşit ölçüde dağılmıyor. Bir yanda elektron sayısı daha fazla oluyor.
Elektron sayısındaki eşitsizlik su molekülünün kutupsal olmasına yol açıyor; ama bu hikayenin yarısını oluşturuyor. Devamında ise bir su molekülünün pozitif yüklü tarafı başka bir su molekülünün negatif yüklü tarafını kendine çekiyor. Molekülleri bağlayan hidrojen bağları bunların bir tür esnek balık ağı oluşturmasını sağlıyor. Bu da suya yaşam için vazgeçilmez olan sıra dışı akışkanlığı kazandırıyor:
Suyun buz tutması.
Örneğin donma ve buharlaşma
Su sıcaklık değişikliklerine dirençli bir sıvıdır. Su moleküllerini birbirine bağlayan hidrojen bağları çok dayanıklı olduğu için bu bağları kırarak suyu buharlaştırmak zordur (bu dayanıklılık bağların sertliğinden değil, tersine elastikliğinden ileri gelir). Dolayısıyla deniz seviyesindeki basınçta suyun kaynama derecesi 100 santigrattır. Bu da suyu bir ısıl yalıtım malzemesine dönüştürerek canlıları aşırı sıcaklık farklarından korur:
Denizlerin geç ısınma ve soğumasının nedeni olan bu özellik suyun kutuplarda donmasını da zorlaştırır. Özetle su canlıları aşırı sıcak ve soğuktan koruyan kararlı bir ortamdır. Suyu dondurmak için önce su moleküllerinin enerjisini dışarıya vermeniz gerekiyor. Sistemden ısı çekmeyi durdurduğunuz anda suyun donması da duruyor. Böylelikle suyun donması dışarıya ısı veren (eksotermik) bir süreç oluyor.
Elbette su molekülleri donarken birbirine yaklaşıyor (düşük ısıda moleküler titreşimler azalıyor) fakat donmakta olan su molekülleri kristale benzeyen altıgen yapılar oluşturuyor (kar tanelerine mikroskopla bakın). Bu kristaller de sıvı su ile eş hacimde daha az molekül içeriyor. Kısacası su donarken genleşip yoğunluğu azalıyor. Bu da su buzunun denizlerin üstünde yüzmesini sağlıyor.
Bu bağlamda su kimyası öldürücü olabilir: Örneğin, insanların donarak hayatını kaybetmesinin sebebi protein sentezleme gibi metabolik süreçlerin durması değildir. Vücut sıcaklığı düşerken kış uykusu gibi bir durum ortaya çıkar ki teorik olarak soğuktan donan bir kalbi ısıtıp tekrar çalıştırabilmeniz gerekir (soğuk, dokuların çürümesini engelleyecektir). Oysa öyle olmaz; çünkü insan bedenini yüzde 60’tan fazlası sudan oluşur. Su donunca genleşir ve buz kristalleri hücreleri yırtarak patlatır. Ölüm sebebi budur. Bu nedenle ölümcül hastalıkları olan insanları dondurduktan sonra hayata döndürmek zordur.
Su kimyası ve terleme
İnsanlar geniş diyaframları, nispeten kılsız göğüs bölgeleri ve dik yürümeleri sayesinde atlardan daha iyi nefes alır ve terlerler. Terleme biz sıcakkanlı insanları sıcak çarpmasından korur. Suyu buharlaştırmak için çok enerji gerekmesi aynı zamanda buharlaşan suyun bedenimizi hızla soğutması anlamına gelir. Bütün bu sebeplerle insan bedeni içten ısıtmalıdır. Örneğin kansızlık çekenlerin ayakları hava sıcak olsa da üşür; çünkü bizi kan (su) ısıtır.
Su kimyası ve insan bünyesi
Yaşamak için temel kriter metabolizmadır. İnsanlar yer, içer, sindirir, dışkılar, solunum yapar ve protein sentezler. Bu kategoriler bedenimizin temel faaliyetlerini, yani bünyesini oluşturur. Bünyemizin çalışması ise suya bağlıdır. Hidrojen bağları bedenin yapıtaşı olan aminoasitlerin, besinler ve diğer moleküllerin suda çözülmesini kolaylaştırır. Özetle su molekülleri teknik olarak nötrdür ama pratikte kutuplu ve iyoniktir. Bu da sudaki besinleri iyonize ederek çözülmeyi kolaylaştırır.
Su moleküllerinin bir yanı çözülecek besinleri kendine çekerken diğer yanı da iter. Bu da besinlerinin eriyerek çözelti oluşturmasını kolaylaştırır. Öyle ki saf suya bile teknik olarak nötr olsa da (pH 7) zayıf bir asit gözüyle bakabilirsiniz (suyun paslandırıcı etkisini de düşünün). Biz de birazdan suyun kutupsal özelliğinin protein sentezlemedeki kritik önemini kuantum kimya ile göreceğiz.
Suyun oksijen ve karbondioksit gazlarını çözebilmesi de hayat için kritiktir. Öyle ki besin zincirinin temeli olan okyanus yaşamını büyük ölçüde oksijenli suya borçluyuz. Keza okyanusların havadaki karbondioksiti emebilmesi (karbondioksit atmosferi ısıtan bir sera gazıdır) insanların yol açtığı küresel ısınmanın etkilerini zayıflatarak gezegenimizin süper sıcak düdüklü tencere dünyası Venüs’e dönüşmesini geciktirmiştir. Oysa suyun çok daha ilginç özellikleri var:
Su kutuplu bir moleküldür.
Yüzey gerilimi ve moleküler çekim
Suyun hidrojen bağlarından türeyen bir diğer özelliği de moleküler çekim; yani kohezyondur: Su molekülleri adeta birbirine tutunur ve su kapların içinde ya da nehir yatağında bir bütün halinde akar. Akarsuları ve su akıntılarını buna borçluyuz. Aynı nedenle suyu borulardan akıtabilir, su ve kanalizasyon şebekesini işletebilirsiniz. İnsan kanı ve bitkilerin özsuyunun damarlarda akmasını da buna borçluyuz.
Yüzey gerilimi ise bir su kütlesinin kenarındaki moleküllerin havadaki moleküllerden çok hemen yanındaki su moleküllerine çekilmesiyle oluşur. Bu nedenle bardağa çok su koysanız bile suyun bardaktan taşması için biraz daha su koymanız gerekir. Bu da sizi sakarlıktan korur. 😊
Daha teknik bir anlatımla, yüzey gerilimi termodinamik optimizasyon nedeniyle maddenin her zaman için en kararlı ve en düşük enerji düzeyine ulaşma çabasıyla oluşur. Örneğin su yüzeyi hep mümkün olan en küçük yüzey alanına büzülmek ister; ama bir detay var:
Yüzeydeki moleküllerin alttaki su kütlesiyle olan bağları birbiriyle olan bağlarından zayıftır. Bunun nedeni havayla temas eden üst yüzeydeki hidrojen bağlarının hava moleküllerine bağlanmaması ve tüm elektromanyetik çekim kuvvetini yanal su moleküllerine yönlendirmesidir. Bu özellik su yüzeyinin suyun geri kalanından ayrı bir esnek katman oluşturması ve 20 derece sıcaklıkta metre başına 72,8 milinewton mekanik gerilim sağlamasına yol açar. Bu da bazı canlıların suda yürümesine izin verir:
Suda yürüyen canlılar mı?
Evet, örneğin su böcekleri gibi hafif canlılar veya adi basilisk gibi saatte 24 km’den hızlı koşan ve göreli hafif olan kertenkeleler su yüzeyinde batmadan yürüyebilirler. Oysa biz insanlar bunu yapamayacak kadar ağırız. Diyet değil, sadece rejim yaparak altı yıl önce geçici olarak çıktığım 92 kilodan 64 kiloya düşmüş olmama rağmen suda yürümem için saniyede 30 metre hızla gitmem gerekirdi. 😉
Bazı kertenkeleler suda yürüyebilir.
Kuantum su kimyası
Su kimyası doğrudan entropiyle ilgilidir. Burada entropinin tanımına girmeyeceğim ama buna kısaca düzensizlik diyebiliriz. En basitinden termodinamiğin ikinci yasasına göre enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremezsiniz ve makineler enerjiyi bir yerden alıp başka yere koyarken içinden geçen enerji akışının bir kısmıyla yararlı iş yaparlar.
Bu da iş yaparken bir sistemdeki entropinin sürekli artmasına, yani iş yapmak için kullanılabilecek enerjinin sürekli azalmasına neden olur. Örneğin yaz sıcaklarında evi klimayla soğuturken dışarıyı ısıtırsınız. İşte insan metabolizmasının temeli olan hücrelerimiz, özellikle de hücre zarları entropinin bu özelliğinden yararlanır. Bizzat evrim evrenin otomatik olarak çözdüğü termodinamik enerji optimizasyonu probleminin doğal bir çözümüdür.
Evrim termodinamikten türer ve insan hücreleri de bünyemizi böyle bir optimizasyonla işletir; çünkü sistemin genelinde entropi hep artsa da yerel entropiyi azaltabilirsiniz. Dağınık odanızı toplayabilmeniz veya klimayla soğutabilmenizin sebebi budur! Şimdi gelelim hücrelerin entropiyi nasıl hacklediğine ve nasıl düzensizlikten düzen yarattığına… Özünde entropi, su molekülleri ve hücre zarı ilişkisine:
Hücreler enerjiyi konsantre etme sanatında ustalaşmış olup bunun en güzel örneği de lipit moleküllerinden, pratikte üst üste binen iki yağ katmanından oluşan hücre zarlarıdır. Hücre zarı hücrenin içindeki organları ve DNA içeren çekirdek zarını dış ortamdan korur. Zaten bir organizma olmanın ana şartı yaşamak değil, organizmayı dış dünyadan ayıran bir bariyer olmasıdır. Nasıl derseniz:
Su molekülleri hidrojen bağları sayesinde esnek ve geçici ağlar oluşturur.
Virüsler birer organizmadır
Virüsler büyük olasılıkla canlı değildir ama protein kılıfları sayesinde birer organizmadır; fakat çıplak RNA kodlarından oluşan viroitler organizma olmayabilir. 😮 Her durumda hücre zarı suyun içinde yüzer ve dış su basıncı ile hücre plazması arasındaki basınç farkından yararlanarak plazmadan suya atık boşaltır veya sudan plazmaya besin, hormon, ilaç, hatta alyuvarlardan oksijen vb. çeker.
Oysa su mikroskobik ölçekte çalkantılıdır ve sürekli hücre zarını aşındırarak yok etmek ister. Bunu anlamak için lipitleri harç ve tuğladan örülmüş bir duvar gibi değil de birbirine Lego gibi geçen serbest plakalar olarak düşünün. Özetle entropisi yüksek olan çalkantılı suyun kısa sürede hücre zarını aşındırarak yok etmesi gerekir ama tersine zarı bir arada tutar. Peki bunu nasıl yapar?
Hücre zarındaki lipitler resimde görüldüğü gibi kuyrukludur ve lipit başları suyu severken (suyu çekerler) su sevmez lipit kuyrukları da suyu iter. Ancak, lipitler gevşek şekilde üst üste dizilen iki katman olsa da sırf bu nedenle çalkantılı sudan düzenlidir ve lipit entropisi de daha düşüktür. Böylece su molekülleri hücre zarının suya bakan dış yüzeyi üzerinden kayarak akar gider (resme bakınız).
Öte yandan su molekülleri suyu sevmeyip iten lipit kuyrukları arasında sıkışır ve dışarıdan hücrenin içine doğru veya hücrenin içindeki plazmadan dışarı doğru akar. Lipit kuyrukları suyu iterek hücre zarındaki gözeneklerden, yani doğal lipit borularından akmaya zorlar. Bu da hücre dışındaki çalkantılı suyun entropisinin azalmasına ve hücrenin içine sadece iş yapmaya elverişli olan düşük entropili suyun girmesine neden olur. Hücreler entropiyi böyle hackleyerek iki iş yaparlar:
Su kimyası ve hücre zarı
1) Su akıntısı hücre zarındaki lipitlerin dizilimini korur ve zarın yırtılmasını önleyerek suya değdikçe kendini onarmasını sağlar. 2) Hücre zarı hücre içindeki sıvıları dışarıya boşaltarak dışarıdan su emer. İkisi de enerjiden üretilen yararlı iştir; çünkü hücreyi yaşatır! Su moleküllerinin esnek hidrojen bağları sayesinde yüksek akışkanlığa sahip olması suyun lipit kuyrukları arasından akmasını kolaylaştırır. Özetle kanınızdaki entropi artar ama hücrelerinizdeki entropi azalarak metabolizmasını çalıştırır.
Hücre zarı suyun entropisini hackler ve birleşmeden veya yapışmadan, sadece su sayesinde yan yana dizilen lipitlerden oluşur. Kaostan düzen yaratır.
Su kimyası ve protein sentezi
Aminoasit kalıntılarından oluşan uzun organik molekül zincirleri olan proteinler öncelikle canlı dokuların yapıtaşlarını oluşturur. Bunun dışında metabolizmada gerçekleşen sindirim gibi kimyasal tepkimeleri katalizör olarak hızlandırır. Gen makası CRISPR Cas9 enzimi gibi genleri kesip biçer ve böylece bölünen hücrelerde DNA’nın düzgün kopyalanmasını sağlar. Ayrıca bazı hormonları oluşturarak uyaranlara tepki verir (metabolizma hızını düzenler). Atom ve molekülleri vücutta taşıyan moleküler kafes işlemini de görür. Kanda oksijen taşıyan kafes şekilli hemoglobin proteini gibi…
Ancak, su molekülleri ile protein ilişkisi arasındaki en önemli nokta, proteinlerin kimyasal özelliklerinin atomik dizilimden ziyade proteinlerin şekline, yani kendi üzerine nasıl kıvrıldığına bağlı olmasıdır. Proteinler vücutta birçok kilidi açan anahtar işlevini görür. Her kilit için ayrı anahtar gerekir ve anahtarın şekli de proteinin nasıl kıvrıldığına bağlıdır.
Üstelik insan vücudunun kullanabileceği proteinler bellidir fakat doğa rastgele kimyasal süreçlerle sayısız protein üretebilir. Peki vücudumuz sadece gerekli şekilde kıvrılan az sayıda proteini hücrelerin içindeki ribozomlarda nasıl sentezliyor? Evet, hücrelerdeki ribozom organcıkları protein fabrikalarıdır ama bunların mekanik üretim hatları olmadığını ve yapay zeka kullanmadığını hatırlatalım. 😉
Öyle ki proteinleri makine hattında üretmeye kalksak ribozomlar güneşte kalan telefon pili gibi ısınır ve hücreleri de yakıp kavururdu. Peki siz hiç çok koştuğu için telefon pili gibi alev alıp patlayan insan gördünüz mü? Tabii ki hayır! İnsan bedeni elektrokimyasal enerjiyi çok iyi kullanan süper verimli bir organik bataryadır. Peki bunu nasıl yapar? Yine su kimyası sayesinde! Şimdi size bunu anlatacağım:
Su kimyası ve protein katlama
Proteinler lipit gibi basit moleküller değildir ve suyun içinde su seven başları ile su sevmeyen kuyrukları sayesinde kendiliğinden birleşip ortaya çıkmazlar. Proteinleri lipitler gibi suyun akışkanlığını kullanarak kendiliğinden monte edemezsiniz. Hele bunları katlayarak istediğiniz şekli hiç veremezsiniz. Moleküler biyolog Cyrus Levinthal protein sentezini açıklamak için bir teori geliştirdi ve son 30 yılda erimiş globül (topakçık) durumu teorisi kanıtlandı ki kuantum su kimyası da tam burada devreye giriyor:
Erimiş globüller proteinleri oluşturan düz aminoasit şeritleri ile proteinin kendi üzerine doğru şekilde kıvrılmış olan kafes şekilli bitmiş hali arasındaki ara aşamadır. Bu aşamada suyu sevmeyen ve iten hidrofobik aminoasitler bir tür esnek hamur tortusu gibi topaklanıp bebek proteinin merkezine çöker. Aminoasitlerin suyu itmesi onların protein merkezinde topaklanmasına yol açar.
Dikkatli okurların fark edeceği gibi proteinin tamamı değil ama topaklanma aşaması lipitlerin su seven ve sevmeyen tarafları sayesinde suyun içinde kendiliğinden montajlanmasına çok benzer. Peki bu süreç doğru proteini sentezlemenizi nasıl sağlar? Aslında basit bir entropi hilesiyle: Evinizdeki toplu iğne kutusunu düşünün. İğneleri etrafa saçarsanız evi tehlikeli bir şekilde dağıtmış olursunuz; ama kutuya koyarsanız tek tek iğnelerin kutudaki yerini bilmeseniz de en azından kutuda olduğunu bilirsiniz.
İşte hücrelerinizdeki ribozomlar da proteinleri böyle derli toplu sentezler ve böylece onların entropi yüzünden rastgele şekiller oluşturma şansını azaltır. Proteinlerin temel parçalarının suda kendiliğinden ön montaj yapmasını sağlar ve sonra bu parçaları istediği proteini oluşturacak şekilde birleştirir. Kısacası entropiyi hackleyip düzensizlikten düzen türetir. Siz de arada yaşamış olursunuz. 😊
Aslında dizkapağı gibi eklemlerinizin aşınmadan çalışmasını sağlayarak kayganlaştırıcı yağ işlevini gören eklem sıvısı da su ve elektrik yüklü polimerlerden oluşuyor. Ancak, eklem sıvısının ağdalı olduğuna dikkat edelim. Yağ işlevini görmesi için sudan daha kalın ve akışkan bir sıvı olması gerekiyor fakat bir problem var: Normalde ağdalı eklem sıvısı fazlasıyla kalın olur ve eklemde çok yer kaplayarak şişkinlik yapar. Bu da insanların yürürken ve koşarken, kol-parmak oynatırken hareket kabiliyetini azaltacaktır.
Oysa eklem sıvımız ağdalı olamayacak kadar suludur. Peki vücudumuz sulu sıvıdan ağdalı sıvıyı nasıl türetiyor? Bilim insanları bunun sebebinin bir yanı pozitif ve bir yanı negatif yüklü olan polimerlerden kaynaklandığını düşündüler. Eş yüklerin birbirini itmesi sıvıdaki polimerlere ağsı ve ağdalı bir yapı kazandırıyordu ama bunun başka bir nedeni daha olduğu ortaya çıktı:
Polimerlerin elektrik yükü bu moleküllerin toplu halde titreşmesine yol açıyor ve aynı zamanda su moleküllerini etkiliyordu. Polimer ağları suyu tutan bir tür kafes gibi çalışıp su moleküllerindeki hidrojen bağlarını da güçlendiriyor ve suyun ağsı yapısını pekiştiriyordu. Böylece sulu sıvıyı ağdalıymış gibi kontrol altına almak mümkün oluyordu.
Bunun modern makine yağı tasarımlarını nasıl etkileyeceğini düşünmek bile insanı heyecanlandırıyor ama su kimyası açısından daha önemli bir sonucu var: Suyu asal gazlar gibi kimyasal reaksiyonların aktif maddesini seyrelterek reaksiyon hızını düzenleyen bir nötr arka plan gibi düşünemezsiniz. Su aktif bir kimyasaldır hem de kimyasal tepkimeye girmeden kuantum mekaniği özellikleri ile aktif olan bir sıvıdır. Bu da harika bir şey: Elinizde reaksiyonu yakıp bozmayan ama aktif olarak yönlendiren bir sıvı var!
İlgili yazı: İlk Süperkıta Columbia Nasıl Oluştu ve Parçalandı?
Aynı anda iki kez sıvı oluyor
Siz bir sıvının aynı anda iki kez sıvı olduğunu gördünüz mü? Mesela bir kaba su ve yağ koysanız yağ suyun üzerinde yüzer ama bunlar iki ayrı sıvıdır. Oysa su aynı kapta yoğunluğu farklı iki sıvı katmanı meydana getirebilir ve tahmin edebileceğiniz gibi bu yine kuantum su kimyası ile hidrojen bağları sayesinde gerçekleşir:
Bunun moleküler arası hidrojen bağlarının statik elektrik benzeri bir çekim yarattığına dikkat edelim. Hidrojen bağlarının moleküllerdeki atomları bağlayan bağlar kart sert olmadığını, esnek olduğunu hatırlayalım. Bunlar sıvı suyun içinde geçici olarak oluşan ve sıcaklık, çalkantı, basınç ve hatta suya katılan maddelere göre dağılarak tekrar tekrar oluşan bağlardır.
Kısacası su kendi ağ örgüsünü yaratır ve bu örgünün esnekliği de ortam şartlarına göre değişir. Öyle ki suyun akışkanlığı aynı sıcaklık, basınç ve kapta bile değişebilir. Yüzey gerilimini zaten biliyor ve suyun su yüzeyinde ayrı bir katman oluşturduğunu görüyorsunuz. Ancak, bu özelliğin daha belirgin olduğu bir durum var. Suyu -45 derecede soğutur ve deniz seviyesi basıncın 2400 katını uygularsanız su molekülleri tıpkı aynı kaba koyulan su-yağ gibi iki katman oluşturacaktır.
Bu katmanlardan biri akışkan ve diğeri ağdalı olacaktır. Kısacası yüksek basınç altında su kendini yağlayacaktır. Siz de bunu kar kaplı olmayan çıplak buzda yürümeye benzetebilirsiniz. Yürümeyin, düşüp bir yerinizi kırabilirsiniz! 2002’de Van’da askerlik yaparken 10 yılın kışına denk gelmiştim ve kantinin önünde tabii ki hiç temizlenmeyen buza basıp basıp düşerdim. 😊
Buza bastığınız zaman ağırlığınız altında ezilir ve ısınır. Isınınca erir ve hidrojen bağları sayesinde hem buzun üzerinde hem de ayağınızın altından kayan ince bir su tabakası oluşur. Bunun sebebi hidrojen bağlarıdır ve gerisi bellidir. Buzda kayıp düşersiniz. Kimyacıların suyu sıkıştıramazsınız derken kastettiği budur. Şimdi su buzu kimyasına geçelim:
İlgili yazı: Karanlık Sıvı Evreni Açıklayabilir mi?
Su kimyası ve su buzu
2400 atmosferde -45 dereceye gelince: Seyreltik üst katman standart dört kenarlı moleküllerden oluşur. Merkezdeki bir molekül dört komşu moleküle eşit uzaklıkta bağlanır. Yoğun ve daha ağdalı sıvı katmanında ise bu gruba sıkışmaya çalışan bir su molekülü daha vardır.
Yerçekimini mikroskobik ölçekte hesaplayamadığımız için kuantum su kimyası bilgisayar simülasyonları yaparak suyun tam olarak nasıl davranacağını öngöremiyoruz. Elbette Jüpiter’in iç basıncını test etmekte kullandığımız deney aygıtlarıyla su moleküllerini elmas çekiçlerin arasına sıkıştırıp durumu araştırabiliriz fakat bu da pahalı bir işlem. Kısacası suyun çok yüksek basınç ve sıcaklıkta ya da soğukta tam olarak nasıl davranacağını bilmiyoruz ama bunu bilmek önemlidir:
1) Kıtaların kaymasıyla yeraltına batan okyanus tabanının suyu da yeraltına taşıyıp kayalardaki mikro gözeneklere sıkıştırdığını ve yüksek basınçla sıcaklıkta suyu temizlediğini biliyoruz fakat bu arıtma işleminin detaylarını bilmiyoruz. 2) Güneş Sistemi’nde Europa, Ganymede gibi sandviç uydular ve Plüton gibi cüce gezegenler var. Bunlar bir buz ve bir su katmanı olmak üzere 5-6 kat buz tabakası içeriyor. Su buzu uyduların derinliklerindeki yüksek basınçta 300 dereceye kadar ısınsa bile erimiyor. Belki de dirençsiz akan süper sıvıya dönüşüyor. Sıcak buzun detaylı öğrenmemiz gerekiyor.
Daha dünyevi bir sebep olarak 3) Buzulların basınçtan ısınıp eriyen alt katmanlarının oluşturduğu sıvı suyun üzerinde nasıl kaydığını ve 4) Buzdağlarının nasıl yüzdüğünü anlamak için kuantum su kimyasını öğrenmeliyiz. Hatta suyu örnek alarak roket tanklarındaki sıvı hidrojenin davranışını bile hesaplayıp daha yüksek basınçta güvenle daha çok hidrojen yakıt tankları üretebiliriz. Peki su neden cam gibi de davranıyor?
Su kimyası ve cam hali
Son olarak suyun cam haline geçelim: Cam maddenin bir halidir ve sıvı ile katı arasında yer alır. Cam kısa vadede katı gibidir. Nitekim pencere camını eritmediğiniz sürece gözünüzün önünde aktığını görmezsiniz ama cam akar. Yüz binlerce, milyonlarca yıl boyunca kırılmadan duran bir pencereniz olsaydı camın pervazın dibine bal gibi aktığını görecektiniz. Suyun cam hali de böyledir. Katı gibi görünür ama aslında yavaş yavaş rahatlayarak sıvı gibi akmaktadır.
Elbette evrende camsı özellikler gösteren tek madde su değildir ama kimyanın divası olarak su molekülleri cam evresine çok garip bir şekilde geçecektir! Genellikle bir katıyı ısıttığınız zaman ısı depolama kapasitesi yavaş yavaş artar; yani her seferinde katıyı 1 derece ısıtmak daha çok enerji ister. Ancak katılar cam aşamasına geldiğinde ısı kapasitesi yüzde 100 artar. Oysa su nazlıdır. 😉
Mesela çaydanlıkta su kaynatırken suyun bir süre tepki vermediğini görürsünüz ama 100 dereceye yaklaşırken birdenbire kaynamaya başlar. Hatta cezvede yumurta haşlarken veya kahve yaparken aniden taşarak başınıza iş açar. Öte yandan cam derken aklınıza hep cam atölyeleri ve erimiş kayalardan oluşan lav akıntıları gelmesin. Suyun cam aşaması soğudukça ortaya çıkar.
Bu da cezve örneğinin tersidir ama ona çok benzeyen bir durumdur. Su aniden donar. Bu nedenle sıvı ile buz arasındaki cam aşamasına kaç derece sıcaklıkta girdiğini bir türlü ölçemiyoruz. Yine de bir ilişki var: Kaynar su buharını -110 derecedeki bir kabın yüzeyinde yoğuşturduğumuz zaman camsı evreye geçtiğini biliyoruz. Bilim insanları da suyun cam halinin -53 ila -123 derece arasında görüldüğünü düşünüyorlar. Peki bunun ne önemi var?
Öncelikle suyun cam evresi 0 derecede donmadan önce değil, aşırı soğutulduğu zaman ortaya çıkıyor. Bu da su buzunun Satürn’ün uydusu Titan gibi -186 derece ve daha soğuk gökcisimlerinin yüzeyinde farklı davranabileceğini gösteriyor. Soğuk ve buzlu uyduların iklimini anlamak için bunu bilmek gerekiyor. Üstelik suyun aşırı soğuktaki davranışını çözersek içine özel kimyasallar ekleyebiliriz.
Böylece insanları ölümcül hastalıkların çaresi bulunana kadar veya uzak yıldızlara yaşlanmadan göndermek için sağlıklı bir şekilde dondurabiliriz. Bunun dışında uzay çok soğuktur. Yaklaşık -270 derece ile mutlak sıfırdan sadece 3 kelvin sıcaktır. Sürpriz sürpriz! Evrende en yaygın su formu gerek yüksek basınç (buzun içi) ve gerekse aşırı soğuk nedeniyle (uzay boşluğu) camdır. Örneğin yıldızlararası uzaydaki toz bulutlarına yapışan su molekülleri, mini buz kristalleri yerine cam gibi davranır.
Bu da suyun uzaydaki dağılımı ve kuyrukluyıldızlara tutunma gücünü etkiler. Suyu kısmen iyonize edici radyasyondan korur ve bozulmasını önler. Böylece uzaydaki su bulutlarının gezegen ve asteroitlere daha kolay ulaşmasını sağlar. Bu da virüslerle bakterilerin uzaydan gelip başka gezegenleri tohumlama şansını artırır. Kısacası yeni oluşan gezegenlerin nasıl su topladığı ve uzayda hayatın ne kadar yaygın olduğunu anlamak için suyun cam halini çözmek şarttır.
Peki virüsler uzaydan gelip dünyaya bulaşabilir mi? Onu da şimdi okuyabilir ve panspermi ile hayatın uzaydan gelip gelmediğini araştırabilirsiniz. Sonuçta vücudunuzu oluşturan atomların yüzde 60’ı başka galaksiden geliyor. Hızınızı alamayarak süpersıvıların özellikleri ve sıvı helyumun kuantum kimyasını da inceleyebilirsiniz. Temiz havada, yeşilde ve mavide enerji depolayarak bilimle kalın.
Suyun kuantum kimyası
1‘Molten‐globule state’: a compact form of globular proteins with mobile side‐chains
2A specific hydrophobic core in the α-lactalbumin molten globule
3Nuclear quantum effects enter the mainstream
4Nuclear Quantum Effects in Water and Ice
5Polyelectrolytes induce water-water correlations that result in dramatic viscosity changes and nuclear quantum effects
Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Ayhan Sevim	 24/06/2020 Cevapla
Hocam, merhaba. Yazılarınızı merakla okuyor ve aydınlanıyorum. O kadar ayrıntılı bilgileri internette, sizden başka verebilen yok . Yorulmadan, sıkılmadan yazıyorsunuz. Hergün mutlaka sitenizi ziyaret ediyorum. Teşekkürler