Site İçi Arama

egitim

Kar Taneleri

Öncelikle hemen hepsi altıgen bir formda oluşuyor! Bal peteklerinde olduğu gibi, köşeli altıgen şeklinde. Nedir bu altıgen şeklin sırrı?

Kar taneleri ne kadar güzeldir değil mi?

O kadar kar yağıyor dünya yüzeyine ve neredeyse hiçbir kar kristali bir diğerine benzemiyor, bunu biliyor muydunuz?

Evet, gerçekten milyarlarca, hatta trilyonlarca kar kristali oluşuyor kar yağarken ve hemen hemen hiçbiri bir diğerinin aynısı değil.

Aynı insanların parmak izleri gibi, hemen her birinin kendince farklı bir karakteri var.

Tabii insanlarda olduğu gibi kar kristalleri de birtakım gruplar halinde sınıflandırılıyor.

Ancak bu gruplar benzer kar kristallerine göre oluşturulsa da, her grup içindeki kar kristalleri bile gerek boyutları açısından, ve gerekse şekilleri açısından bir takım farklılıklar ile birbirinden ayrılıyor.

Bir doğa harikası aslında kar kristalleri.

***

Bu nasıl oluyor?

Öncelikle hemen hepsi altıgen bir formda oluşuyor! Bal peteklerinde olduğu gibi, köşeli altıgen şeklinde.

Gerçi altıgen form dışında da kar kristalleri var. Ancak bu tarz kristallerin de başlangıcı altıgen forma dayanıyor.

***

Nedir bu altıgen şeklin sırrı?

Aslında altıgen formun oluşumu su molekülünün formülünden ötürü.

Bildiğimiz gibi bir su molekülü bir adet oksijen ile ona kimyasal olarak kovalent bağ ile bağlanmış olan iki adet hidrojen atomundan oluşuyor.

Sıvı haldeyken kum taneleri gibi birbiri üzerinde kayarak hareket halinde olan bu moleküller, ısıları sıfır dereceye düştüğünde yan yana bulundukları konumda birbirlerine bağlanmaya başlıyorlar.

Bu bağ artık bildiğimiz kimyasal kovalent bağ değil.

***

Ama niye altıgen şekil oluşuyor?

Aslında bunu anlayabilmek için önce sıcaklığın atomları ve molekülleri nasıl etkilediğine bakmamız gerekiyor.

Nedir sıcaklık?

Isı enerjisi, yani bu da bir enerji türü.

Bir atom dışarıdan bir enerji elde ettiğinde ne olur?

Atomlarda elektronların bulundukları yörüngeler birer enerji seviyeleridir.

Bu yörünge dediğim Güneş Sistemi’nde olduğu gibi gezegenlerin güneş etrafında döndükleri gibi dairesel ya da elittik bir yörünge değil.

Elektronların yörüngeleri daha çok çekirdek etrafındaki enerji seviyeleri ile ilgili bir kavram.

Bu konuda son düşünülen atom modeli daha çok elektronların çekirdeğe bağlı baloncuk benzeri enerji seviyeleri içerisinde sürekli bir hareket halinde olduklarını öngörüyor.

Normalde elektronların dışarıdan aldıkları enerji fotonlarla iletiliyor ve buna ışınım enerjisi deniyor.

Elektrona ulaşan foton yeterli enerjiye sahipse elektron bir üst enerji seviyesindeki yörüngeye sıçrıyor ve orada hareketine devam ediyor.

Isı enerjisi ise ışınım enerjisinin tersine atoma tümüyle titreşim veren bir enerji türü.

Bu titreşimler elektronlardan tutun, atomu oluşturan her türlü atom altı parçacığı etkiliyor. Yani ısı atom çekirdeğini de titreştiren bir enerji türü.

***

İşte ısının düşmesi ile atomlar, ya da kimyasal bağ halinde olan moleküllerde atomik titreşimler azalıyor ve bu durumda da atomların birbirlerine daha yakın konumda olabilmelerine imkân sağlanmış oluyor.

Bu yakınlaşmayı atomların büyüklükleri, molekül şeklindelerse molekülün şekli ve daha birçok etmen etkiliyor.

Sıcaklığı bir anlamda bir aradayken titreşen demir bilyelerin hem titreşip hem de birbirlerine çarptıklarını ve daha ötelere sıçramaları şeklinde hayal edebilirsiniz.

Titreşim azalırsa demir bilyeler daha rahat bir arada durabileceklerdir. Titreşim artarsa bilyeler birbirine çarpmaya başlayacaktır.

Hatta titreşim çok daha fazla arttığında artık sıçramalar çok daha ötelere dağılacağı için gaz halindeki maddelerin molekülleri gibi bilyeler tamamen birbirlerinden uzak kalacaklardır.

Sıvı hal ise moleküllerin titreşim seviyesinin molekülleri ne öyle çok uzaklara kadar fırlatacağı bir seviyedir, ne de katı haldeki gibi yan yana yeterince yakın durabildikleri bir konumdur. Sıvı hal daha çok moleküllerin birbirleri üzerinde kayarak hareket edebildikleri bir konum oluyor.

***

Peki ısı seviyesi yeterince düşükse, ve atomlar ya da moleküller birbirlerine yakın konumda olabildiklerinde ne oluyor?

Niye toz gibi dağılmıyorlar da katı hale dönüşen bir sıvı taş gibi tek bir bütün haline geliyor?

İşte bu durumda normalde kimyasal kovalent bağ halinde olan atomlar yük konumları açısından nötür konumda da olsalar, yanındaki atomun elektriksel yüklerinden bir şekilde etkilenmeye başlıyorlar. Moleküller arasında elektron alışverişleri başlıyor.

Su molekülündeki hidrojen atomunun tek elektronu normalde kovalent bağ ile bağlı bulunduğu oksijen atomunun yörüngesinde de dolaşırken, ara ara yanına oldukça çok yaklaşmış olan diğer su molekülünün yörüngelerinde de dolaşmaya başlıyor.

Bir anlamda elektronları atomlar hep birlikte kullanmaya başlıyorlar.

Bu durum da karşımıza maddenin katı hale geçmesi ve bir bütün olarak davranması olarak çıkıyor.

Normal şartlarda elektron dolaşım sistemi dengede olan molekül içinden bir elektron bir başka moleküle geçtiğinde, o molekülden de bir elektron bu moleküle geçmiş oluyor. Bu şekilde elektron alışverişleri başlıyor tüm moleküller arasında.

Böylece sistemdeki toplam elektron dengesi bozulmasa da, tüm atomlar kurdukları bu yeni düzen içinde elektron paylaşımları ile bir arada durabilmeye başlıyorlar. Katı hale geçmiş oluyorlar.

Biz de su sıfır derecede buz haline dönüşür diyoruz. Çünkü sıfır derece su moleküllerinin titreşim seviyelerinin birbirleri ile elektron alışverişi yapabilecekleri kadar yakınlaşmasına müsaade edecek kadar azalması demek, böylece su sıfır derecede katı hale dönüşüyor.

Tüm maddelerin moleküler düzenleri ve şekilleri farklı farklı olduğu için elektron alışverişi yapabilecekleri moleküler yakınlık farklı oluyor ve dolayısıyla katı hale dönüşmeleri için gerekli ısı seviyesi de farklı farklı oluyor.

***

Katı haldeki maddelerde bu yeni elektron paylaşım sistemini bozabilmek için, yani o katı maddeyi kırabilmek için her maddenin kendine göre bir dayanım kuvveti oluyor.

Dolayısıyla dışarıdan uygulamanız gereken kuvvetler de farklı büyüklüklerde olmak durumunda oluyor.

Ben inşaat mühendisi olduğum için isterseniz inşaat malzemelerinden örnek vereyim, mesela bir tuğlayı kırmak için uygulayacağınız kuvvet ile bir beton kütleyi kırmak için uygulayacağınız kuvvet farklı oluyor.

Ya da metallerde bu katı hal bağları çok daha kuvvetli olduğu için demirlerin kopma kuvvetleri de oldukça fazla oluyor.

Tabii uygulayacağınız kuvvet katı hale dönüşürken o maddenin atomlarının ne kadar düzenli şekilde bir araya geldiği ile ve aralarında çatlaklar oluşup oluşmadığı ile de bağıntılı oluyor. Betonda priz alma deriz, bu aşamada farklı sebeplerle kılcal çatlaklar olduğunda betonun dayanımı da azalıyor.

Bu bahsettiğim katı hal bağları kimyasal kovalent bağ değil ama, farklı farklı bağ türleri var. Metaller için mesela metalik bağ bunlardan biri.

Maddelerin atomlarını bir arada tutan bir sürü bağlanma türleri var.

Kimyasal tepkimelerle oluşan bağlanmalara kovalent bağ diyoruz, ama bunun yanında iyonik bağlar var, metalik bağlar var, Van der Waals bağları dediğimiz fiziksel etkileşim bağları var ve hidrojen bağı dediğimiz ayrıca bir bağ türü daha var.

Tüm bu bağların bağ enerjileri farklı farklı seviyelerde ve etkileşim halindeki atomların elektron paylaşımlarına, o yörüngedeki potansiyel boş elektron yörüngesinin konumuna ve enerji seviyesine bağlı olarak bu enerji seviyeleri de değişiyor.

Bu yüzden de bir beton kütleyi kırabilmek tuğla kırmaktan çok daha fazla kuvvet istiyor.

Ya da buz kırmak için çok daha başka kuvvete ihtiyacınız oluyor.

***

Kar kristalleri ile başladık, bunca süre kimya ile vakit kaybettik.

Ama bu detayları bilmeden de maalesef kar kristallerini ve niye bu kadar çok şekilleri olduğunu anlamak mümkün olmuyor.

Evet, kristal diyorum, çünkü moleküller ısılarını kaybedip birbirlerine yakınlaştıklarında fiziksel yapılarına göre belli şekillere bürünüyorlar.

Biz bu fiziksel şekillere kristal diyoruz.

Su molekülleri moleküler yapıları gereği birbirlerine yakınlaştıklarında hidrojen bağları ile bağlanarak altıgen bir formda katılaşıyorlar.

***

Nedir hidrojen bağı?

Hidrojenin çekirdeğinde tek bir proton olduğu için doğal olarak yörüngesinde tek bir elektrona sahip.

Ancak bu ilk seviye elektron yörüngesi de çekirdeğe en yakın konum ve normalde bu seviyede iki elektron için yer var. Bu seviye çekirdeğe en yakın konum olduğu için proton ile elektron arasında bu konum oldukça kuvvetli bir bağ oluşturuyor.

Ancak dediğim gibi aynı zamanda bu seviye iki elektronluk bir seviye.

Dolayısıyla tek protonu olsa da hidrojen atomu diğer atomlara göre ikinci bir elektronu bünyesine dahil etmeye daha meyilli bir atom.

Diğer atomlardan ikinci bir elektron boştaki yörüngeye girdiğinde çekirdeğindeki proton mevcut elektronunu serbest bıraksa da, hidrojen atomu içeren su molekülünün katı hale geçerken bu hidrojen bağı oldukça etkili oluyor ve bu durum da katı halde suyun altışar molekülden oluşan bir su kristali şeklinde katılaşmasına sebep oluyor.

***

Su moleküllerinde bir de doğada belki de hayatın başlamasına sebep olan bir özellik var.

Altıgen formdaki bu moleküler dizilim ortasında oluşan boşluk sebebiyle, bir çok başka katı formdaki maddenin aksine suyun buz haline dönüştüğünde hacminin artmasına sebep oluyor.

Gerçekten hemen hemen tüm maddeler katı hale dönüşürken hacim kaybediyorlar.

Çünkü ısının düşmesi demek moleküllerin birbirine yanaşması demek. Bu da hacim düşmesi demek.

Ancak su moleküllerinde ısının düşmesi ile önce belli bir hacim düşmesi olsa da, kristalleşme aşamasında moleküler dizilim hacmin tersine sıvı konumdan daha fazla artmasına sebep oluyor.

Bu da donan suyun koskoca kayaları parçalamasına imkân sağlıyor.

Doğada toprağın oluşması, dolayısıyla hayatın devam etmesi su moleküllerinin bu ilginç özelliğine bağlı.

***

Bu bilgiler ışığında şimdi tekrar dönelim biz kar tanelerine.

Isısı düşünce en başında bal peteği gibi altıgen bir formda dizilen su molekülleri köşelerindeki hidrojen bağları ile peteğin köşelerinden büyümeye başlıyor.

Sonuç altıgen formda çok güzel kar taneleri oluşması.

Bu birbirinden oldukça farklı kar tanelerinin şekilleri o an altıgen kristal etrafındaki su buharı ortamının yoğunluğuna, havanın o anki ısısına ve yerçekimi etkisiyle kristalin içine geçtiği farklı katmanlara bağlı olarak farklı farklı şekiller alıyor.

Çok ani ısı değişimleri olsa da altıgen peteğin her seferinde her tarafında eşit ortam oluşturduğu için kristal de her yöne aynı şekilde büyüme gösteriyor.

Ancak içinden geçilen katman her kar tanesi için farklı farklı koşullar oluşturduğu için bu muhteşem altıgen form her kristal için farklı gelişim gösteriyor.

Sonuç birbirinden farklı farklı milyonlarca kar taneleri.

Mesela çok ani olarak oldukça soğuk bir ortamdan geçen kristal altı köşeli başlangıç kristalinin köşeleri yerine peteğin alt ve üst yüzeylerinin ortamdaki serbest molekülleri toplamasına sebep oluyor. Bu yüzden çok soğuklarda iğnemsi sivri sivri kar kristalleri oluşuyor.

Ama daha ılıman havalar peteğin köşelerden büyümesine daha uygun olduğu için yumuşak havalarda lapa lapa kar taneleri oluşuyor. Bu lapa lapa kar taneleri içinde de altıgen formda muhteşem kar kristalleri.

***

İşte böyle, bu konuda inceleneler yapan bilim insanları önceleri yüzün üzerinde kar kristali tipi olduğunu düşünmüşler.

Son yıllarda yapılan sınıflandırma bu sınıflandırmayı kırk küsür seviyelere kadar indirgemiş.

Öyle ya da böyle kar taneleri hepimizin çok sevdiği kristaller. Sizleri bilmiyorum, ama ben çok seviyorum kar tanelerini.

Pencereden bakarken havanın biraz yumuşaması sebebiyle kar yağışı arttı. Pencerenin üzerine ise ne güzel kar taneleri düşüyor.

Her biri de erimeden önce bana içindeki kar kristallerini gösteriyor.

Bir yandan da Nilüfer’in “Kar Taneleri” şarkısını açtım internetten, oldukça romantik bir ortam oldu burada.

/Alıcı kuşlar gibi

Başımın üstünde dönüp durmayın

Kol kola girip yalnızlığımı

Vurmayın yüzüme kar taneleri/

Bilimle kalın.

Moskova’dan herkese sevgi ve saygılarımla.

Araştırmacı Yazar Deniz BURSALIOĞLU
Araştırmacı Yazar Deniz BURSALIOĞLU
Tüm Makaleler

  • 21.02.2024
  • Süre : 3 dk
  • 265 kez okundu

Google Ads