Suyun Dünyamıza Gelişi, Bileşimleri, Kalitesi

Suyun Dünyamıza Gelişi, Bileşimleri, Kalitesi

Su Nereden Geldi? Dünyamızın bugün büyük bir kısmını kaplayan sular, gezegenimizin uzaydan mavi bir bilye gibi görünmesine sebep oluyor.

• Güneş sisteminde bir mücevher gibi ışıldayan bu mavi bilyenin suları nereden geldi peki?
• Dünyamızda su ne zaman ve nasıl ortaya çıktı hiç merak ettiniz mi?

Okyanusların oluşması, araştırmacılara göre yaklaşık 4,6 milyar yıl öncesine dayanıyor. O zamanlar Dünya’nın atmosferi bugünkü Venüs gezegeni kadar yoğundu. Atmosferdeki yoğun toz bulutlarını, çarpan göktaşlarının bir izi olarak değerlendirebiliriz.

Ay yalnızca 100.000 km ötede ufukta görünüyordu. Ortada med cezir yüzünden kabarıp alçalacak denizler henüz yoktu. Yine de bu kadar yakındayken yer kabuğunun ince bölgelerinde magma tabakası çekim gücünden etkileniyordu. Henüz en basit yaşam formlarının bile ortaya çıkması için gereken koşullar bulunmuyordu.

Bu dönemde yeryüzünü oluşturan kuvvetlerin kavgası henüz sona ermemişti. Oluşan yer şekilleri bir süre sonra kayboluyor, değişiyordu. Dünyaya çarpan göktaşları derin izler bırakıyor çevresini biçimlendiriyordu. Volkanik faaliyetler de genç gezegeni lavlarla kaplıyor ve yeni yer şekilleri oluşturuyordu.

Bunun yanında Dünya’ya düşen göktaşı sayısı da çok fazlaydı. Dünya’daki suyun bir kısmın da göktaşlarıyla birlikte uzaydan geldiği düşünülüyor.

Dünya’nın cehennemi sıcaklık dönemini daha serin bir dönem izledi. Atmosfer yavaş yavaş soğumaya başlamıştı. Bu dönemde atmosferde biriken su buharı yoğunlaşmaya başladı. Sürekli yağmurların yağdığı bir dönem geldi. Ne var ki Dünya hâlâ çok sıcaktı ve yağan yağmur hemen buharlaşıyordu. Yine de yağmur yağmaya devam etti ve yer yüzü soğumaya başladı.

Su büyük çukurlarda birikmeye başladı ve yavaş yavaş denizler ve okyanuslar oluştu. Bu su yaşamın kaynağı olacaktı. Kimse ilk canlıların ne zaman ne şekilde ortaya çıktığını kesin olarak bilmiyor. Ne var ki bu geniş su kitlesi olmasaydı yaşamın başlamayacağı da bir gerçek.

Su molekülleri arasında güçlü bir çekim kuvveti bulunur, bu nedenle de suyun yüzey gerilimi yüksektir. Bu kuvvet, suyun yüzeyini küçültme eğilimindedir. Bu nedenle, su damlaları her zaman içe doğru yönelmeye ve yüzey alanlarını küçük tutmaya çalışırlar (her bir su molekülünün, diğer su moleküllerince güçlü bir şekilde çekildiğini düşünün). Eşit hacimli geometrik şekiller arasında yüzey alanı en düşük olanı da küredir.

Dünya üzerinde su moleküllerine yerçekimi kuvveti gibi başka kuvvetler de etki ediyor. Bu nedenle, su damlaları mükemmel küre şeklini alamıyorlar, yalnızca küreye yakın şekillere girebiliyorlar. Ancak, bu kuvvetlerin bulunmadığı bir ortamda, su damlalarından mükemmel küreler elde edebilirsiniz.

Su ıslak mıdır?

“Buyurun buradan yakın” demeden önce, bilim “ıslaklık” kavramını nasıl açıklıyor bir bakalım…

Moleküller arasında çekim kuvvetleri olduğunu biliyoruz. Bilmeyeni zaten ne kimya dersinden geçiriyorlar ne de fizik. Maddenin kendi molekülleri arasında çekim kuvveti olduğu gibi (ki buna adezyon deniyor), birbiriyle temas halinde maddelerin molekülleri arasında da çekim kuvvetleri bulunuyor (buna da kohezyon deniyor). Bilim, “ıslak” olma koşulunu bu kuvvetlerin birbiriyle ilişkisine göre belirlemiş. Buna göre:

• Adezyon > Kohezyon ise ıslak olma koşulu karşılanıyor
• Kohezyon > Adezyon ise ıslaklık koşuluna elveda deniyor.

Su için ilk durum geçerli. Su molekülleri birbirini çılgınlar gibi kuvvetli çekiyor, temas ettikleri diğer maddelerleyse daha az ilgileniyorlar. Bu kadar uzun lafın kısası, evet, içimiz rahat olsun ki su ıslak.

Denizler neden üstten donar?

Çünkü suyun katı halinin yoğunluğu, sıvı halinin yoğunluğundan daha düşüktür. Problemlerde suyun yoğunluğu hep 1 gr/cm³ olarak geçer. Ama işin gerçeği şöyledir:

Sıvı haldeki suyun yoğunluğu 0,9998 gr/cm³, katı haldeki suyun -yani buzun- yoğunluğu da 0,919 gr/cm³’tür. Şimdi, bir bardakta zeytinyağı ve su karışımını düşünün. Yoğunluğu düşük olan zeytinyağı suyun üzerine çıkar, değil mi? Bu duruma benzer şekilde, donan su da sürekli olarak sıvı suyun üzerine çıkma eğilimindedir. Bunun çok küçük bir örneğini, su bardağımıza buz attığımızda da gözleyebiliriz.

Buzlar dibe çökmek yerine yüzeye çıkar. Elimiz değmişken, suyun en yoğun halinin gözlendiği sıcaklığın +4°C olduğunu da hatırlatalım.

Su şişesi buzlukta neden patlar?

Suyun katı halinin daha az yoğun olduğunu söyledik. Su donarken, birim hacimdeki yoğunluğu azalırken hacmi de %8-9 oranında artar. Yani su donarken genleşir. Bu, doğanın fizik ve kimya kanunlarına göre biraz anormal bir özellik. Nedeniyse, suyun kimyasal yapısında saklı.

Sıvı haldeki suda, oksijen atomuna bağlı olan 2 hidrojen atomu arasında 104,5 derecelik bir açı bulunuyor. Donma sırasındaysa, buz kristallerini oluşturmak üzere, suyun yapısındaki hidrojen bağlarının sayısı artıyor ve hidrojen atomları arasındaki açı değeri de artarak 108 dereceye ulaşıyor.

Merak edenler için ekleyelim, bu şekilde anormal davranan başka maddeler de var. Bizmut, germanyum, galyum ve silisyum elementleri de donunca hacmi artan maddeler arasında.

Suyun 3 halini aynı anda görebilir miyiz?

Evet görebiliriz. Yalnızca suyun değil, her maddenin 3 halinin aynı anda gözlenebileceği bir koşul bulunur. Maddelerin katı-sıvı-gaz halleri arasındaki değişimleri, ortamdaki sıcaklık ve basınç değişkenlerine bağımlıdır. Dolayısıyla da, belli bir sıcaklık-basınç değerinde, maddelerin her 3 hali bir arada bulunabilir. Kimya bilimciler bu değeri “üçlü nokta” olarak adlandırıyorlar. Su için bu nokta, 0.01 ºC ve 0.00603 atmosfer basınç.

Su dolu bardağa kalem soktuğumuzda neden kırık gibi görünür?

Su havadan daha yoğun olduğu için, ışık suda daha yavaş ilerler ve havada olduğundan daha farklı bir kırılmaya uğrar. Bu nedenle de, içi su dolu bardağa soktuğumuz kalem ya da cetvel, suya girdiği noktada kırık gibi görünür.

Sesin su içindeki hızı nedir?

Sesin sudaki hızı, suyun sıcaklık derecesi, tuzluluk oranı ve basıncı gibi değişkenlerden etkilenir. Ancak, sudaki ses iletimi kesinlikle havadaki iletimden daha hızlıdır. Su, 25°C sıcaklıkta normal suda 1497 m/s ve deniz suyunda da 1533 m/s hızla yayılır.

Suda neden batmayız?

Akciğerlerimiz ve vücut boşluklarımız havayla dolu olduğu sürece, havanın yoğunluğu sudan daha düşük olduğu için, suyun üzerine çıkarız. Dalgıçların sürekli olarak suyun yüzeyine çıkmalarını engellemek için bellerine ağırlık bağlamalarının nedeni de budur. Bu şekilde suyun kaldırma kuvvetinin yerçekimi kuvvetine üstün gelmesini engellerler.

Kriminalistik meraklıları için ekleme: Ölüm sonrasında nefes alıp-verme durmuş olsa bile akciğerlerin ve vücut boşluklarının içinde bir miktar hava bulunur. Bu nedenle de, öldükten sonra suya atılan bir ceset su üzerinde yüzecektir. Suda batmasının koşulu, akciğerlerdeki havanın bir nedenle tamamen boşalması ya da akciğerlerin suyla dolmasıdır. Bu da, genellikle, ölümün su içinde gerçekleştiğini gösterir.

Bazı böcekler nasıl suda yürür?

Bunun yanıtı da yine suyun birbirini çok seven molekülleri sayesinde yüzey geriliminin çok yüksek oluşu. Su yüzeyinde çok ince bir zar olduğunu düşünün. Bu zarı delebilecek kadar güçlü bir kuvvet uygularsanız batarsınız. Eğer su yüzeyine uyguladığınız kuvvet bu zarı delebilecek kadar güçlü değilse de, paşa paşa su üzerinde yürürsünüz. İşte size su böceklerinin sırrı: Suyun yüzey gerilim kuvvetini yeterince zorlayacak kadar ağır değiller.

Uzun süre suda kalan parmaklar neden büzüşür?

Deri hücrelerimiz, içerdikleri organeller ve maddeler nedeniyle çeşme suyundan daha yoğundur. Bu nedenle, uzun süre suda kalındığında, deri hücrelerimiz içlerine su alırlar ve şişerler. Çünkü su, miktarca yoğun olarak bulunduğu ortamdan daha az yoğun olduğu ortama geçme eğilimi gösterir. Parmaklarımızın uç kısımları, parmak izlerini oluşturan deri kıvrımları nedeniyle, vücudumuzun diğer yerlerinden daha yüksek sayıda deri hücresine sahiptir. Derinin alt tabakası değişmeden kalırken, hücreleri su alan üst tabaka hücreleri şişer. Bu da, deride kıvrılmalara ve büzüşmelere neden olur.

Suyun “Kalitesi” Ne Demektir?

Kavramı açıklamaya başlamadan önce, sıkça göz ardı ettiğimiz bir döngüyü hatırlayalım. Çünkü bazen suyun öylece toprağın üzerinde, tertemiz bir şekilde “peydahlanıverdiğini” düşünüyoruz. Oysa su, oraya ulaşıncaya kadar bir sürü badire atlatıyor. Yüzeye çıkınca da iş bitmiyor. Oradan buharlaşıyor, atmosfere karışıp yükseliyor, bulut olup yoğunlaşıyor, sonra yağmur olup yağıyor, toprağa karışıp derinlere iniyor, yukarı çıkmak için çabalıyor ve döngü yeniden başlıyor.

Ama sonuçta, çeşitli yer katmanlarına temas ediyor. Temas ettiği toprak tabakalarında ve kayaçlarda bulunan bazı maddeler, suyu görünce çözünüyorlar ve suyun bünyesine katılıyorlar. Bazı maddeler derken, çeşitli elementleri, mineralleri ve tuzları kastediyorum. Su yer altından yüzeye doğru çıkarken, bu maddelerin bazıları filtre etkisiyle sudan uzaklaşırken bazıları da kalıyor. Su kalitesi dediğimiz kavram, suyun içinde bu maddelerden hangilerinin bulunduğuna ve bunların yoğunluklarına bakıyor. Suyun berraklığı, tadı ve kokusu gibi özellikleri de, doğal olarak, su kalitesine göre değişiyor.

Suyun kalitesi, kişisel beğenimizin ve tercihlerimizin yanında, sağlığımız için de önemli. Suyun içerisindeki bazı maddeler vücut için çok da “dost” olmayabiliyor.

Örneğin arsenik! 2008 yılı içerisinde çok sık duyduk bu elementin adını, bazı politik kavgalara bile konu oldu. Oysa işin gerçek yüzü oldukça basit:

Yer katmanlarından suya arsenik karışması doğal ve olağan bir süreç. Suyun toprak tabakalarınca filtrelenip kendiliğinden yüzeye çıkmasını beklemek, sağlıklı ama uzun süren bir yol. Bir kuyu kazıp bu tabakaların altına inerek su çıkarmaksa daha hızlı, ama doğal olarak çok sağlıklı değil. Suyu ne kadar aşağıdan çıkarırsanız arsenik yoğunluğu da o kadar yüksek olur.

Tabii ki, bu durum bölgenin jeolojik yapısıyla da ilişkili. Yalnızca kendimiz için değil, tarım arazilerinde sulama için de su kalitesi çok önemli. Sulama suyunun elektriksel geçirgenliğinin, pH değerinin (asitlik-bazlık ölçüsünün), sertliğinin, mineral ve tuz yoğunluklarının mutlaka bilinmesi gerekiyor. Aksi takdirde, yani yanlış bir sulama suyu kullanılırsa, arazinin toprağı çok zarar görebiliyor ve bu toprakta yetişecek üründen de çok hayır gelmiyor.

Su kalitesinde genel olarak,  suda doğal olarak erimiş halde bulunan çeşitli katyonların (sodyum, potasyum, kalsiyum ve magnezyum gibi pozitif değerlikliler), anyonların (klor, sülfat, karbonat ve hidrokarbonat gibi negatif değerlikliler) ve çeşitli minerallerin varlığına bakılıyor. Bunlara da genel olarak “eriyebilir tuzlar” adı veriliyor, hani suda eriyorlar ya, o bakımdan…

Bu tuzlar, suyun genel yoğunluğunu ve kimyasal özelliklerini değiştiriyorlar. Gereğinden fazla olmaları, bitkileri doğrudan zehirleyebiliyor ya da toprağı bozuyor. Hemen küçük bir tablo verelim, sulama suyunda eriyebilir tuzların toplam yoğunluğu (ETTY) ne olunca ne oluyor:

• ETTY (ppm)   Suyun Niteliği
• < 175              Çok iyi
• 175 – 525        İyi
• 525 – 1400      İzin verilebilir
• 1400 – 2100    Sakıncalı
• > 2100            Kullanılmamalı

Sulama suları için “kilit” elementse sodyum. Çünkü sodyum toprak tarafından tutuluyor. Bunun sonucunda toprağın hava ve su geçirgenliği azalıyor, toprak alkali özellik kazanıyor, bitkilerin topraktan besin ve su alması da zorlaşıyor.

Suyun içerisinde belirli maddelerin bulunması da önemli. Canlıların gereksinim duydukları mineral ve tuzları alabilmeleri için en iyi “aracı” su. Yalnızca bitkiler için değil, bizim için de. Bu nedenle maden sularının değerini iyi bilmeli ve daha sık tüketmeliyiz.

Suyun Kimyasal Özellikleri

Öyle bir molekül düşünün ki, hem kimyasal yapısı çok basit olsun hem de eşsiz özellikler taşısın. Hatta işi daha ileriye götürelim, bu molekül aynı zamanda yaşamın temel bileşiği olsun. Öyle ki, onun bulunmadığı yerde yaşam da var olamasın. Şimdilik bu soruya vereceğimiz cevap belli: su. Ancak, belki bundan bir 50 yıl sonra çok farklı yaşam formları da keşfedilmiş olacak ve bu yazıyı görenler alaycı bir tavırla “demode oldunuz kardeşim!” diyecekler…

Neyse, madem konumuz kimya, suyun yapısına geri dönelim. Su, oldukça küçük bir molekül. Öyle ki, neredeyse oksijen atomunun çapına çok yakın büyüklükte ve atomik kütlesi de 18 g/mol. Bunun durumun sorumlusu, bilinen en küçük atom olan hidrojen. Bir oksijen atomunun her iki yanına bağlı birer hidrojen atomundan oluşan su molekülünün geometrik şekli, kolları arasında 104,5 derecelik açı bulunan bir “V” harfine benziyor. Yandaki resim başka her şeye benziyor olabilir, ama aslında bir su molekülünün temsili çizimi…

Hepimizin çok iyi bildiği gibi, hidrojen ve oksijen elementlerinden oluşuyor. Bu elementlerin her ikisi de normal koşullar altında gaz. Ama suyu oluşturacak şekilde bir araya geldiklerinde, sıvı bir bileşik oluveriyorlar.

Takdir-i kimyasal bağ.

Bu konuyu biraz daha açalım. Her molekülde bulunan oksijen atomu, kendisine komşu su moleküllerinin hidrojen atomlarıyla kısmi bir elektriksel ilişki kuruyor. Bu pozitiflik-negatiflik ilişkisi nedeniyle moleküller birbirlerini güçlü bir şekilde çekiyorlar.

Bu olayın kimyadaki adı “hidrojen bağları”. Hidrojen bağları sayesinde her su molekülü 4 su molekülüyle bağ yapabiliyor. Bu bağlar, suyun olağandışı kimyasal özelliklerinden sorumlu: Su, kendisine yakın boyuttaki moleküllerin hepsinden daha geniş bir sıcaklık aralığında sıvı halde kalabiliyor. Suyun donma noktası 00C ve kaynama noktası da 1000C.

Ancak, moleküler yapısı nedeniyle her sıcaklıkta buharlaşabilen su, dünya üzerinde her 3 haliyle de gözlenebiliyor (yoksa kutup bölgelerindeki atmosferde hiç su buharı bulunamazdı).

Karbondioksit, argon, ozon, helyum gibi bazı gazlarla birlikte atmosferimizin %1’lik bölümünü oluşturan su buharı, Dünya’nın farklı bölgelerinde farklı oranlarda bulunuyor. Bu oran, iklim koşullarına göre farklılık göstermesinin yanında, rakımdan da etkileniyor.

Deniz seviyesinden yükseğe çıktıkça atmosferik su buharı azalıyor. Su buharının %99’u atmosferimizin en alt tabakası olan troposferde bulunuyor. Atmosferdeki su buharının en önemli rolü, özellikle kızıl ötesi dalga boyundaki güneş ışınlarının %70’ini soğurması.

Dünyamızın kabuğunun yaklaşık ¾’ünü kaplayan suyun %2’lik bölümü, kutuplarda donmuş halde bulunuyor. En azından şimdilik… Olağandışı molekül özelliği nedeniyle, katı hali sıvı halinden daha hafif. Bu sayede, kutuplardaki buz tabakalarının altında okyanus suları sıvı halde kalabiliyor ve buralarda canlılık devam edebiliyor.

Ab-ı Hayat Dediğimiz…
Yüzyıllar boyu kutsal sayılmış su, destanlara konu olmuş, uğruna savaşlar verilmiş… Eski uygarlıklar suyun rahatsız edilmemesi, öfkelendirilmemesi gerektiğine inanmış hep. Ona saygı göstermişler. Yaşamın kaynağı olan su, öfkelendirildiğinde felaket olup canlar alırmış. O yüzden tapmışlar suya, onun dinginliğine, onun ev sahipliği yaptığı canlılara…

Su, yalnızca ev sahipliği yapmıyor canlılığa. O, aynı zamanda canlılığın temel kaynağı. Özellikle de sıvı hali. Bu yüzden gökbilimciler harıl harıl su arıyorlar diğer gezegenlerde; eğer sıvı halde su yoksa canlılık da yok.

Her canlının vücudunda belirli (ve sıklıkla da yüksek) yüzdelerde su bulunuyor. Çünkü su iyi bir çözücü ve mükemmel bir iletici. Bu özellikleri nedeniyle de, enzimlerin çalışması için son derece uygun koşullar sağlıyor, dolayısıyla da kimyasal tepkimeler için ideal ortamı oluşturuyor. Canlılığın tüm özellikleri de, kimyasal tepkimeler sonucu ortaya çıkıyor.

Peki, kimin vücudunda ne kadar su var? Öncelikle hatırlatalım, farklı dokularda su içeriği oranı da farklı. Bazı hücrelerin daha fazla suya gereksinimi var. Ama genel olarak, insan vücudunun %65-75’inin su olduğunu söyleyebiliriz. Mantarların vücudundaki su oranı %98’iken, domateste ve denizanasında %95, kaktüslerde %80-90, muzdaysa yaklaşık %75.

Sıcak ve kurak bölgelerde yaşayan canlıların vücutlarındaki toplam su oranı genel olarak daha düşük. Çünkü canlılar, vücutlarında yüksek oranda su içermeleri nedeniyle, su kaybına karşı da son derece hassaslar. Belirli bir oranın üzerinde su kaybedildiğinde, yaşam da tehlikeye giriyor. Nedeniyse son derece açık, yaşam için gerekli kimyasal tepkimeler su azaldıkça düzensiz ve verimsiz hale gelmeye başlıyor. Bir süre sonra da duruyorlar.

Bu nedenle, kurak bölgelerde yaşayan canlılar, su kaybını önlemek için çeşitli uyumlara sahipler. Buna ek olarak da, su kaybına karşı biraz daha dayanıklılar. Örneğin, bizler vücudumuzdaki suyun yaklaşık %12’sini kaybettiğimiz zaman tehlike çanları çalmaya başlıyor.

Ama çöl hayvanları %40’a varan oranlarda su kaybına karşı dayanıklılar. Özellikle de develer. Bunu da, olağandışı miktarlarda su içerek (bir deve bir seferde vücut ağırlığının üçte biri kadar su içebiliyor) ve kanlarını aşırı oranda sulandırarak sağlıyorlar.

Daha sonra da depodan kullanıyorlar. Bu gerçekten de olağandışı bir strateji, çünkü kanın bu kadar seyrelmesi normalde oldukça tehlikeli bir durum. Kandaki su yoğunluğu hücrelerin içinde bulunandan daha fazla olduğunda, hücreler içlerine su almaya başlıyorlar ve bir süre sonra da patlayarak ölüyorlar. Develerin hücreleriyse özel bir protein kılıfla bu etkiye karşı korunuyor.

Suyun canlılar için bir önemi daha var: vücut ısısının düzenlenmesine yardımcı. Terleme sırasında buharlaşan su, yapısındaki o güçlü hidrojen bağlarını kırabilmek için çevresinden ısı alıyor. Terleyen canlılar da böylece serinliyorlar. Terleyen canlılar derken, ter bezlerinin yalnızca memeli hayvanlarda bulunduğunu da hatırlatalım. Zaten vücut ısısını düzenleme gibi bir zorunluluk da yalnızca sabit vücut sıcaklıklı canlılar için söz konusu. Sabit vücut sıcaklığın mı var, derdin var.