Anomalous expansion of water​

Su Donarken Neden Genleşir?

Çevremizdeki maddelerin neredeyse tamamı sıcaklıkları arttığı zaman genleşir ve hacimleri artar. Bu durumu maddelerin sıcaklıklarıyla birlikte enerjilerinin de artmasıyla açıklayabiliriz.

Katı ya da sıvı haldeki bir maddenin taneciklerini bir arada tutan ana kuvvet elektromanyetik etkileşimdir. Maddelerin yoğun fazlar (katı, sıvı) oluşturmalarından da anlaşılabileceği gibi, tanecikler arasındaki çekme kuvvetleri itme kuvvetlerine baskın gelir. Isıtma sırasında maddeye verilen enerji, taneciklerin maddeyi bir arada tutan kuvvetleri kısmen de olsa yenmesini ve taneciklerin birbirinden uzaklaşmasını sağlar. Bu nedenle, genel olarak sıcaklığı artan maddelerin hacimleri de artar.

Su ise yukarıda anlatılan duruma bir istisna oluşturur. Soğutulan sıvı suyun hacmi 4ºC’ye kadar beklendiği gibi azalırken, 4ºC’den sonra artmaya başar. Hacimde soğumayla beraber yaşanan bu artış donma sırasında da devam eder. Bu olguyu açıklayabilmek için su moleküllerinin katı haldeki kristal yapısına bakmak gerekir. Sudaki hidrojen ve oksijen atomları arasında oluşan hidrojen bağları, su katı haldeyken hidrojen atomlarının farklı iki su molekülünün oksijen atomlarını birleştiren doğrusal çizgiye yakın bir nokta etrafında konumlanmasını sağlar. Oluşan bu hidrojen bağları katı halde hayli boşluklu bir yapı oluşmasına neden olur. Sıcaklık artışıyla moleküllerin enerjisi arttığı zaman ise, hidrojen bağları sebebiyle oluşan boşluklu yapı bozulur ve hacim azalır.