9. SINIF KİMYA · ÜNİTE 21 · ADEZYON-KOHEZYON KUVVETLERİ VE YÜZEY GERİLİMİ

“Moleküller arası çekim kuvvetlerin en önemli göstergesi sıvı ve katı hâlin varlığıdır. Gaz hâlindeki maddelerin tanecikleri arasındaki çekim kuvveti yok denecek kadar azdır. Sıvıların adezyon ve kohezyon kuvvetleri, yüzey gerilimi, kılcallık ve ıslatmazlık gibi nitelikleri moleküller arası çekim kuvvetlerin sonucudur.”

“Bir maddeyi oluşturan aynı tür moleküllerin birbirine uyguladığı çekim kuvvetine kohezyon, farklı maddelerin tanecikleri arasındaki çekim kuvvetine adezyon kuvvetleri denir.”

Ayrım tek kelimede: aynı tür mü, farklı tür mü? Kohezyon suyun kendini tutmasıdır; adezyon suyun başka bir şeye tutunmasıdır. Bu ünitedeki her olay bu ikisinin yarışından çıkıyor.

“Bir yaprağın üzerinde asılı kalan su damlası her iki kavramı da temsil etmektedir. Su damlasının yuvarlak bir şekil oluşturması kohezyon kuvvetlerine, damlanın yaprağa yapışması adezyon kuvvetlerine örnektir.”

Tek bir görüntüde iki kuvvet birden çalışıyor. Damlanın şekli kohezyonun işi; damlanın orada durması adezyonun işi.

Kaydırak, sıvı ile yüzey arasındaki adezyonun gücünü değiştiriyor (kohezyon sabit). Damla yüzeye yayılıyor mu, yoksa toplanıp duruyor mu, gör.

Ünitenin giriş metni: ormanlar bulutları gerçekten kendilerine doğru çeker, ama uzak mesafeden değil — “bir mıknatısın başka bir mıknatısı çekmesi olayındaki gibi” yakından. Bulutları çeken şey ortamdaki su damlacıkları ve su buharı parçacıklarının birbirini çekme kuvveti.

Kilit cümle: “Birbirlerine tutunan su kütlesi veya damlaların çekim kuvveti, su buharı moleküllerinin birbirini çektiği kuvvete göre daha güçlüdür.” Yani ağaçlar üzerindeki damlalar, bulut tabanındaki dağınık buhardan daha güçlü çekiyor; bulut sabit bir yere tutunamadığı için hareket yönü mecburen orman yüzeyine doğru oluyor.

Ayrıca her su molekülü ile temas ettiği yüzey (ağaç, yaprak, kaya, metal) arasında da çekim oluşuyor — bu adezyon. Ormanlık alanların hem tabanı nemli hem de yapraklarda terleme olduğu için nem potansiyeli yüksek; sis tabakalarının ormanlık bölgelerde daha sık görülmesinin sebebi de bu.

“Yüzey gerilimi kohezyon kuvvetlerinin neden olduğu sıvıların bir özelliğidir. Bir sıvının iç kısmındaki bir molekül diğer moleküller tarafından her yönde eşit ölçüde çekildiği için moleküle etki eden kuvvetler birbirini dengeler ve net kuvvet sıfır olur. Sıvı yüzeyindeki moleküller ise yalnızca alttaki ve yanlardaki sıvı moleküllerince çekildiği için yüzeydeki molekülleri etkileyen kuvvet dağılımı dengesizdir ve net kuvvet sıfırdan büyüktür.”

“İçteki moleküllerin dengelenen kuvvetleri nedeniyle enerjileri yüzeydekilerden daha düşük olur. Bütün sistemler gibi sıvı molekülleri de düşük enerjili hâli tercih eder. Bu nedenle yüzeydeki moleküller sıvının içine doğru girmeye çalışırken yüzeyde olabildiğince az molekül kalır ve yüzeyde küçülme gerçekleşir. Kohezyon kuvvetlerinin doğrudan bir sonucu olan yüzey gerilimi, suyu dış kuvvetlere karşı dayanıklı hâle getirir.”

İki molekül seçili: biri sıvının içinde, biri yüzeyde. Her ikisine komşularından gelen çekim kuvvetleri ok olarak çizildi, ortadaki kalın ok ise net kuvvet. İçtekinde okların birbirini götürdüğünü, yüzeydekinde ise aşağı doğru bir net kuvvetin kaldığını gör. Kaydırak yüzeyi büyütüp küçültüyor.

Şöyle denir: “Yüzeyi gergin bir streç filme düşen nesneler gibi bir böcek de su yüzeyinde batmadan durabilir.” Ataş için sorduğu soru daha da öğretici: ataşın yoğunluğu suyunkinden fazla olduğu hâlde dikkatlice bırakıldığında batmıyor. Ama dik bırakıldığında batmaya başlıyor — kütlesi de yoğunluğu da değişmediği hâlde.

Cevap: Ataşı tutan şey kaldırma kuvveti değil, yüzey gerilimi. Yatay bırakıldığında ataş yüzey filmini geniş bir alanda çukurlaştırıyor ve film onu taşıyabiliyor. Dik bırakıldığında temas alanı bir noktaya iniyor; aynı gerilim o küçük alanda ataşı taşıyamıyor ve film yırtılıyor. (Ders kitabı üç soruyu da öğrenciye bırakıyor; cevaplar onun kendi tanımından — “yüzey gerilimi, suyu dış kuvvetlere karşı dayanıklı hâle getirir” — çıkıyor.)

Yüzey gerilimi iki ayrı birimde verilir: kanıt kartlarında dyn/cm, tabloda N/m. Suyun değeri bir yerde 72, öteki yerde 0,073 görünüyor ve bu iki sayı aynı şeyi söylüyor:

1 dyn/cm = 0,001 N/m

72 dyn/cm = 0,072 N/m. Tablodaki 0,073 değeri 20 °C’ta, kanıt kartındaki 72 değeri 25 °C’ta ölçülmüş — küçük fark buradan geliyor ve sıcaklık arttıkça yüzey geriliminin azaldığını zaten söylüyor. (Birim dönüşümü ders kitabında hiç geçmiyor, eklendi.)

“Sıvı ile yüzey arasındaki adezyon kuvvetleri kohezyon kuvvetlerinden büyükse sıvı yüzeyde yayılır. Böyle sıvılara yüzeyi ıslatan sıvılar denir. Eğer sıvının kohezyon kuvvetleri sıvı ile yüzey arasındaki adezyon kuvvetlerinden büyükse sıvı yüzeyde damlacıklar hâlinde kalır ve yüzeyi ıslatmaz.”

“Bir kap içerisinde bulunan sıvının kohezyon kuvvetlerinin adezyon kuvvetlerinden büyük olması sıvı yüzeyinde dışa doğru bir kavis (dışbükey) oluştururken adezyon kuvvetlerinin büyük olması içe doğru bir kavis (içbükey) meydana getirir. Kohezyon ve adezyon kuvvetleri eşitse sıvı yüzeyi düz kalır.”

Kaptaki sıvının bu kavisli yüzeyine menisküs denir. (Terim ders kitabında geçmiyor, eklendi; sınavda karşına çıkar.)

Deney tüpü görselleri. Bir sıvı seç: cam tüpteki yüzeyin şekli, cam yüzeye damlatıldığındaki hâli ve gerekçesi çizilir.

İki sayı: cıvanın yüzey gerilimi 480 dyn/cm, suyun yüzey gerilimi 72 dyn/cm. Cıvanınki suyunkinin yaklaşık altı buçuk katı.

Soru şu: cam bir yüzeye cıva ve su damlatıldığında su yayılıyor, cıva yayılmıyor, yüzeyi ıslatmıyor. Neden?

Cevap: Cıvanın kohezyonu (kendi atomları arasındaki metalik bağ) cam ile arasındaki adezyondan çok daha güçlü — bu yüzden top top duruyor ve tüpte dışbükey menisküs veriyor. Suda ise cam ile arasındaki adezyon kendi kohezyonundan büyük; su yayılıyor ve tüpte içbükey menisküs veriyor.

İkinci sorunun cevabı da buradan çıkıyor: yüzey gerilimi fazla olan sıvılarda kohezyon baskındır. Yüzey gerilimi zaten kohezyon kuvvetlerinin doğrudan bir sonucu.

Etkinlik-2.29’un kanıt kartları. Aynı damlalıkla damlatıldıklarında damlaların şekli ve boyutu bu değerlere göre değişir.

İki sorunun cevabı:

1. Aynı damlalıkla damlatılan sıvılardan yüzey gerilimi büyük olanın damlası daha büyük ve daha bombeli olur. Sıralama: su > gliserin > etil alkol > n-hekzan. n-hekzanın damlası en küçük ve en yayvan olur.

2. Yağlı kâğıt apolar bir yüzey. Apolar yüzeyle en güçlü adezyonu yine apolar olan n-hekzan kurar; kâğıdı o ıslatır. Su ve gliserin kendi aralarındaki hidrojen bağlarına tutunup damlacık hâlinde kalır. (Ders kitabı soruları soruyor, cevap anahtarı vermiyor.)

“Adezyon kuvvetleri, bir su kabına yerleştirilen ince cam tüpler (kılcal tüpler) boyunca suyun yukarı doğru tırmanmasını sağlar. Kılcal hareket (kapiler etki) olarak bilinen ve yer çekimine karşı yapılan bu yukarı doğru hareket, su molekülleri ile tüpün cam duvarları arasındaki çekime (adezyon) ve ayrıca su molekülleri arasındaki etkileşimlere (kohezyon) bağlıdır. Kılcal tüplerde adezyon kuvvetleri yeterince büyükse sıvı sütunu kendiliğinden yükselir. Adezyon kuvveti kohezyon kuvvetinden zayıfsa sıvı çok az yükselir hatta sıvı seviyesinde alçalma bile gözlenebilir.”

Son cümle cıvayı anlatıyor: cıvanın kohezyonu çok güçlü olduğu için kılcal tüpte yükselmez, tam tersine alçalır. Aynı düzenek, iki sıvıda iki zıt sonuç.

Kaydırak tüplerin çapını değiştiriyor. Aynı kapta üç farklı incelikte cam tüp var. Tüp inceldikçe suyun daha yükseğe tırmandığına dikkat et; cıvanın ise ne yaptığına da bak. (Tüp çapı ile yükseklik ilişkisi ders kitabında yazmıyor, eklendi; “ince cam tüpler” vurgusunu yapıyor.)

Boşluk doldurma maddeleri. Her satırda tek hücre işaretle, sonra Denetleye bas. (Ders kitabı cevap anahtarı vermiyor; cevaplar onun kendi tanımlarından çıkarıldı.)

Son madde ayrıca: Cıva cam bir yüzeye döküldüğünde yüzeyi ıslatmaz, metal üzerine döküldüğünde yüzeyi ıslatır — çünkü metal yüzey ile cıvanın tanecikleri arasında metalik bağ gözlenir. Metalik bağ, cıvanın kendi kohezyonundan güçlü bir adezyon sağlar.

“Yüzey geriliminin büyüklüğü; sıvının cinsine, sıcaklığa ve sıvıda çözünen maddeye (safsızlığa) bağlı olarak değişir.”

“Moleküller arası etkileşimlerin gücü arttıkça sıvıyı oluşturan moleküller arasındaki kohezyon kuvveti artar, bu da yüzey geriliminin artmasına sebep olur.”

“Sıcaklık arttığında sıvıyı oluşturan moleküller arasındaki çekim gücü zayıflar. Bu durum… kohezyon kuvvetinin azalmasına neden olur ve sıvının yüzey gerilimi azalır.”

“Sıvıya çok çözünen bir safsızlık ilave edildiğinde suyun yüzey gerilimi artarken, az çözünen ya da hiç çözünmeyen bir safsızlık ilave edildiğinde yüzey gerilimi azalır. Örneğin suya tuz eklendiğinde su ve tuz iyonları arasında su molekülleri arasında olandan daha kuvvetli bir moleküller arası çekim oluşur ve suyun yüzey gerilimi artar.”

Dokuz ölçüm. Aynı sıvının 20 °C ve 50 °C satırlarını yan yana oku: hepsinde sıcak olan daha düşük. “sabunlu” ya da “50” aratabilirsin.

Bir sıvı seç, sonra kaydırakla sıcaklığı değiştir. Yüzeydeki moleküllerin birbirini ne kadar sıkı tuttuğunu ve damlanın bombesinin nasıl değiştiğini izle. Sabunlu su seçeneği, deterjanın yüzey gerilimini nasıl çökerttiğini gösteriyor.

“Sabun ve deterjan ilavesi ise sıvının yüzey gerilimini azaltır. Sabun ve deterjan molekülleri hidrofil (suyu seven) ve hidrofob (suyu sevmeyen) kısımlardan oluşur. Bu moleküllerin hidrofil kısımları yüzeydeki su moleküllerini kendine doğru çeker. Bununla birlikte suyun yüzey gerilimini aşarak sıvı içine girer ve sıvı içindeki kohezyon kuvvetlerinin azalmasına sebep olur.”

Sabun molekülünün iki ucu var: uzun bir hidrokarbon zinciri (hidrofob, suyu sevmez) ve yüklü bir baş (hidrofil, suyu sever). (Kısımların yapısı ders kitabında yazmıyor, eklendi.) Yüzeye dizilirken baş kısmı suya, kuyruk kısmı havaya bakar; böylece yüzeydeki su molekülleri birbirini değil sabunu çeker ve gerilim düşer. Bu tür maddelere yüzey aktif madde diyor.

Tablodaki fark çarpıcı: saf su 20 °C’ta 0,073 N/m, sabunlu su aynı sıcaklıkta 0,025 N/m — üçte birine düşüyor. Aynı suyu 20 °C’tan 50 °C’a ısıtmak ise 0,073’ü ancak 0,068’e indiriyor. Yani bir damla deterjan, otuz derece ısıtmaktan çok daha etkili.

Bir yöntem damla saymak: “Belirli bir hacimdeki sıvının damlalarını saymaktır. Bunun için Traube (Trab) stalogmometresi kullanılır… a ve b arasındaki sıvının kaç damla olduğu sayılarak sıvının yüzey gerilimi belirlenir.” Aynı iş pipet, büret ya da damlalıkla da yapılabilir.

Madenî para yöntemi: “Sıvı ya da damla ne kadar bombeli duruyorsa sıvının yüzey gerilimi o kadar yüksektir.”

Dikkat — ters ilişki: yüzey gerilimi yüksek olan sıvı büyük damlalar verir, dolayısıyla belirli bir hacim daha az damlada biter. Yani damla sayısı arttıkça yüzey gerilimi azalır. “Saf su yerine sabunlu su kullanılırsa damla sayısı fazla mı az mı olur?” sorusunun cevabı: fazla olur.