Bal neden ağır ağır, su neden hemen akıyor?
Sıvıda tanecikler birbirinin üzerinden kayarak ilerliyor. O kayma ne kadar zorsa sıvı akmaya o kadar direniyor. Bu direncin adı viskozite ve arkasında yine moleküller arası çekim kuvvetleri var. tablosuna göre balın viskozitesi suyunkinin on binlerce katı — ve bu farkın tamamı moleküllerin birbirini ne kadar sıkı tuttuğundan geliyor.
“Sıvılar akışkan özellik gösterir… Ancak aynı şartlarda sıvıların akışkanlığı birbirinden farklıdır. Tüm sıvılar akmaya karşı farklı ölçülerde direnç gösterir. Sıvıların akmaya karşı gösterdiği dirence viskozite denir. Viskozitenin SI birim sistemindeki birimi pascal.saniye (Pa.s) şeklindedir. Viskozitesi büyük sıvılara viskoz sıvı adı verilir.”
“Sıvıların akışkan özellikte olmasının nedeni, öteleme hareketi yapan taneciklerinin birbirleri üzerinde kaymasıdır. Eğer sıvı taneciklerinin öteleme hareketi yavaşsa sıvılar akmaya karşı direnç gösterir.”
Viskozite ve akışkanlık aynı olayın iki yüzü ve ters yönde ilerler: viskozite büyükse akışkanlık küçüktür. Sınav sorusunda hangi kelimenin kullanıldığına dikkat et — cümlenin yönü buna göre değişir. (Ters orantı ders kitabında tek cümlede söylenmiyor; ikisi ayrı ayrı kullanılıyor.)
“Örneğin bir bisiklet, el freni yavaşça çekilerek sürülmeye çalışılırsa (bir tür sürtünme) bisikletin ileri doğru hareket etmesi zorlaşır ve bisikletin harekete karşı direnci yüksek olur. Aynı şekilde viskozitesi yüksek sıvıların da akmaya karşı direnci yüksek, akışkanlıkları düşüktür.”
Bu benzetmede el freni moleküller arası çekim kuvvetleri. Ne kadar sıkarsan tanecik komşusunun üzerinden o kadar zor kayar.
Kaydırak, moleküller arası çekim kuvvetinin gücünü değiştiriyor. Sıvı eğik bir yüzeyden aşağı akıyor; katmanların birbirine göre nasıl kaydığını izle. Çekim güçlendikçe katmanlar birbirine kilitleniyor ve akış yavaşlıyor.
Özdeş büretlerde su, zeytinyağı ve bal aynı koşullarda bulunuyor. Musluklar aynı anda kısa süre açılıp kapatıldığında damlaların yarıçapları r₁ > r₂ > r₃ sıralanıyor.
Cevaplar: Tanecikleri en hızlı öteleme hareketi yapan sıvı su. Damla ne kadar küçükse sıvı o kadar akışkandır. Viskozite sıralaması büyükten küçüğe: bal > zeytinyağı > su. (Ders kitabı soruları soruyor, cevap anahtarı vermiyor.)
Bu sıralama Tablo 2.6’nın kendi sayılarıyla birebir tutuyor: su 1,01×10⁻³, zeytinyağı 81×10⁻³, bal 2–10 Pa·s. Yani balın viskozitesi suyunkinin iki bin ilâ on bin katı.
On iki sıvı, viskoziteye göre küçükten büyüğe sıralı. Sağdaki sütun her sıvının hangi etkileşim yüzünden o değeri aldığını söylüyor. “hidrojen” ya da “London” aratabilirsin.
Üç satırda tek sayı yerine aralık var: bal 2–10, pekmez 5–10, motor yağı 0,06–0,30 Pa·s. Sebep bunların saf madde değil karışım olması — bileşimleri değiştikçe viskoziteleri de değişir. (Aralıkların sebebi ders kitabında yazmıyor, eklendi.)
Değerler o kadar geniş bir aralığa yayılıyor ki düz bir çubuk grafikte su hiç görünmüyor. Bu yüzden çubuklar onluk basamak sayısına göre çizildi; her bir çubuk boyu bir öncekinin on katını temsil ediyor. Bir sıvı seç, değerini ve sebebini gör.
“Moleküller arası etkileşim kuvveti büyük olan sıvıların akışkanlıkları azalır, viskoziteleri artar.”
“Sıvıda hidrojen bağı sayısının artması, sıvı moleküllerinin öteleme hareketi yaparak birbirlerinin üzerinden kolaylıkla kaymasını engeller. Bu durumda sıvının akışkanlığı azalır ve viskozitesi artar. Gliserinin molekülleri arasındaki hidrojen bağı sayısı su ve etilen glikolden daha fazla olduğu için gliserinin akışkanlığı bu sıvılardan daha az, viskozitesi daha fazladır.”
Bir sıvı seç: molekülün iskeleti ve −OH grupları çizilir, kurabileceği hidrojen bağları gösterilir. Bir molekülde ne kadar çok −OH varsa komşularına o kadar çok kancası olur; kaymak o kadar zorlaşır.
“Apolar moleküllerde elektron sayısı arttıkça London kuvvetlerinin etkisi artacağından sıvıların akışkanlığı azalır, viskoziteleri artar.”
| Sıvı | Molekül formülü | Toplam elektron sayısı | Viskozite (Pa·s ×10⁻⁴, 25 °C) |
|---|---|---|---|
| Pentan | C₅H₁₂ | 42 | 2,24 |
| Hekzan | C₆H₁₄ | 50 | 3,00 |
| Heptan | C₇H₁₆ | 58 | 3,87 |
| Oktan | C₈H₁₈ | 66 | 5,08 |
Dört sıvının hiçbirinde hidrojen bağı yok — hepsi apolar. Aralarındaki tek fark zincirin uzunluğu, yani elektron sayısı. Her karbon eklendiğinde elektron sayısı 8 artıyor ve viskozite düzenli olarak yükseliyor. Bir önceki ünitelerden hatırla: elektron sayısı fazla ve elektron bulutu dağılmış yapıda kutuplanabilirlik kolaylaşır, London kuvveti artar.
Tablo 2.7’nin dört sıvısı. Kaydırağı çek: zincire karbon ekle, elektron sayısının ve viskozitenin birlikte nasıl arttığını gör.
“Moleküllerin geometrik şekli ve kütlesi de moleküller arası etkileşimleri dolayısıyla sıvıların akışkanlığını etkiler. Genellikle küçük ve küresel yapıdaki moleküllerin akışkanlığı fazla, büyük ve uzun zincirli moleküllerin akışkanlığı daha azdır. Benzer molekül yapısına sahip sıvılarda ise mol kütlesi büyük olanın akışkanlığı genellikle daha azdır. Örneğin propil alkolün (MA = 60 g/mol) 25 °C’taki akışkanlığı etil alkolün (MA = 46 g/mol) akışkanlığından daha azdır.”
Tablo 2.6 bunu da doğruluyor: etanol 1,20×10⁻³, propanol 1,94×10⁻³ Pa·s. İkisinde de tek bir −OH var; farkı yaratan zincirin uzunluğu.
Şu soruyu düşün: benzenin viskozitesi (0,625×10⁻³) suyunkinden (1,01×10⁻³ Pa·s) daha düşük, akışkanlığı daha yüksek. Neden?
Cevap: Benzen apolardır; molekülleri arasında yalnız London kuvveti vardır. Su ise polardır ve molekülleri arasında hidrojen bağı bulunur — bu ünitedeki en güçlü etkileşim. Güçlü çekim, taneciklerin birbirinin üzerinden kaymasını zorlaştırır. (Ders kitabı soruyu soruyor, cevabı vermiyor; cevap onun kendi kuralından çıkıyor.)
Aynı mantıkla aseton (CH₃COCH₃) tablodaki en düşük viskoziteye sahip: 0,316×10⁻³ Pa·s. Aseton polar bir moleküldür ama yapısında O−H bağı yok, dolayısıyla kendi molekülleri arasında hidrojen bağı kuramaz.
“Sıvıların sıcaklığı arttıkça moleküller arası etkileşim kuvvetleri zayıflar. Bu durumda akışkanlık artar, viskozite azalır. Yollara asfalt dökülürken ziftin ısıtılması, reçelin kavanozlara sıcak doldurulması gibi durumlar akışkanlığın sıcaklıkla artması ve viskozitenin azalması ile ilgilidir.”
Ölçme yöntemlerinden biri: “Uzun bir kabın içindeki sıvılara bırakılan çelik bir bilyenin sıvı yüzeyinden tüpün dibine iniş süresi de sıvıların viskozitesinin belirlenmesini sağlar.” Üç tüpte üç farklı sıvı var; kaydırak sıcaklığı değiştiriyor. Sıcaklık arttıkça bilyelerin nasıl hızlandığına ve aralarındaki farkın nasıl kapandığına bak.
Etkinlik-2.24’ün örneği: bir kozmetik firması nemlendirici serum üretiyor. “Serumun çok akıcı olması cilde uygulanırken dağılmasına neden olurken çok viskoz olması uygulamayı zorlaştırabilmektedir.” Kimyagerler su ve gliserini farklı oranlarda karıştırarak ideal viskoziteyi yakalıyor. Ürün etiketinde “buzdolabında veya doğrudan güneş ışığı alan bir ortamda saklanmaması gerektiği” yazıyor.
Etiketin sebebi: Her iki uç da viskoziteyi bozar. Buzdolabında sıcaklık düşer, moleküller arası çekim güçlenir, viskozite artar — serum akmaz. Güneşte sıcaklık yükselir, çekim zayıflar, viskozite azalır — serum dağılır. (Ders kitabı etiketi veriyor, sorunun cevabını öğrenciye bırakıyor.)
Neden su ve gliserin? Çünkü ikisi de hidrojen bağı kurar ama farklı sayıda: suyun bir oksijeni, gliserinin üç −OH grubu var. Oranı değiştirerek aradaki her viskoziteyi elde edebilirsin.
Her satırda tek hücre işaretle, sonra Denetleye bas.
“Sıvıların viskozitesini ölçmek için kullanılan araçlara viskozimetre denir ve laboratuvarlarda genellikle Ostwald (Osvald) viskozimetresi kullanılır. Sıvıların akışkanlıkları birbirleriyle kıyaslanarak da belirlenebilir.”
Aynı miktardaki farklı sıvıların ince bir boru, damlalık veya büretten akma süresi ölçülür.
Belirli eğime sahip bir yüzeyden serbest akış hızı tespit edilir.
Büret veya pipetten belirli bir sürede akan sıvının hacmi ölçülür.
Uzun bir kabın içindeki sıvıya bırakılan çelik bilyenin dibe iniş süresi ölçülür.
Düzenek şöyle: özdeş tüplere eşit miktarda üç farklı sıvı konuluyor ve içlerine özdeş çelik bilyeler aynı anda, aynı yükseklikten bırakılıyor. Tüpler eşit bölmeli, her bölme 2 cm.
| Tüp | Sıvı | Formül | −OH sayısı | Sıcaklık |
|---|---|---|---|---|
| I | Propil alkol | C₃H₈O | 1 | 25 °C |
| II | Propilen glikol | C₃H₈O₂ | 2 | 25 °C |
| III | Gliserin | C₃H₈O₃ | 3 | 25 °C |
| IV | Propil alkol | C₃H₈O | 1 | 30 °C |
| V | Propilen glikol | C₃H₈O₂ | 2 | 15 °C |
| VI | Gliserin | C₃H₈O₃ | 3 | 60 °C |
Hangi tüpleri seçmelisin?
Moleküller arası etkileşim ilişkisi için sıcaklığı aynı tutmalısın: I, II ve III (hepsi 25 °C). Aralarındaki tek fark −OH sayısı, yani hidrojen bağı sayısı — bilye en yavaş gliserinde iner.
Sıcaklık ilişkisi için sıvıyı aynı tutmalısın: (I, IV) propil alkol 25/30 °C, (II, V) propilen glikol 25/15 °C, (III, VI) gliserin 25/60 °C. Her çiftte sıcak olan tüpte bilye daha hızlı iner.
(Hangi tüplerin seçileceği ders kitabında cevaplanmıyor, değişken kontrolü mantığından çıkarıldı. Bilyelerin aldığı yol ders kitabında yalnız görselde var, sayı olarak verilmiyor; burada da sayı verilmedi.)
Motor parçalarındaki aşınmanın en önemli nedenlerinden biri hareketli parçalar arasındaki sürtünme. Motor yağı sürtünmeyi, aşınmayı ve sıcaklık artışını önler.
Viskozitesi yüksek, akışkanlığı az. Yağın motor parçalarına iletilmesi zorlaşır.
Viskozitesi düşük, akışkanlığı fazla. Parçalar istenen oranda yağlanmaz, kuru kalan yüzeylerde aşınma olur.
Bu yüzden ideal viskozite aralığına sahip yağ seçilir. 1950’lerden önce yaşanan bölgenin iklimine göre yaz ve kış farklı yağ kullanılması tavsiye ediliyordu. Bugün çok dereceli yağlar (örneğin 10W-40) düşük sıcaklıklarda kıvrılan ancak yüksek sıcaklıklarda çözülen polimerler (polimetil metakrilat vb.) içerdiği için geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabiliyor.
10W-40 gösteriminde W “winter”, yani kış demek; ilk sayı soğuktaki, ikinci sayı sıcaktaki davranışı belirtir. Bu sayılar viskozitenin Pa·s cinsinden değeri değildir, bir sınıflandırma ölçeğidir. (Gösterimin açılımı ders kitabında yok, eklendi.)
Karışık sırayla gelen sorular. Bazıları iki sıvıyı karşılaştırıyor, bazıları bir değişikliğin viskoziteye ne yaptığını soruyor.
Şişeyi ne kadar sallarsan salla ketçap bir türlü çıkmıyor, sonra bir anda tabağın yarısını kaplıyor. Kural: “Viskozitesi çok yüksek sıvıların şişeden akma süresi uzundur… Viskozite düşük olursa da miktar kontrolünü sağlamak zorlaşır.” Üreticinin çözmesi gereken problem tam olarak bu denge.
Kristalleşmiş balı ılık suya oturtunca akmaya başlıyor. Sıcaklık arttıkça moleküller arası çekim zayıflar, akışkanlık artar, viskozite azalır. Tabloda bal 2–10 Pa·s, suyun iki bin ilâ on bin katı.
Şampuanın saça yayılma kolaylığını viskozitesi belirliyor — ders kitabının kendi örneği. Çok akıcı olsa avuçtan akar gider, çok viskoz olsa saça dağılmaz. Aynı sebeple kışın soğuk banyoda şampuan daha zor akar.
Şurup formundaki ilaçların ölçü kaşığında durabilmesi, boğazı kaplayabilmesi hep viskoziteyle ilgili. Suyun viskozitesinde olsaydı kaşıktan dökülür, ağızda hiç durmazdı.
Yaz aylarında yol çalışmasında zift ısıtılarak dökülüyor. Soğukken neredeyse katı, ısıtılınca akıyor. Verilen iki örnekten biri; ikincisi reçelin kavanozlara sıcak doldurulması.
Servis “10W-40 mi 5W-30 mu” diye soruyor. Çok dereceli yağlar, içerdiği polimerler sayesinde soğukta fazla kalınlaşmıyor, sıcakta fazla incelmiyor. 1950 öncesinde yazlık ve kışlık yağ ayrı ayrı alınıyordu.
Odayı boyarken boyanın akıcılığı hem uygulama kolaylığını hem kapatıcılığını belirliyor — endüstri örneklerinden biri. Fazla akıcı boya damlar ve altını göstermeye devam eder.
Şu da doğru: bir ürünün viskozitesi beklenen değerde değilse tüketici o ürünü güvenilmez ve düşük kaliteli sayıyor. Bu yüzden fabrikalarda sıvı ürünlerin viskozitesini her gün test eden kalite kontrol laboratuvarları var. Kimya mühendisliğinin somut bir iş alanı.
Üç soru: (1) Hidrojen bağı var mı, kaç tane? Çok −OH = çok viskoz. (2) Apolar sıvılarsa hangisinin elektron sayısı fazla? Fazla olan daha viskoz. (3) Sıcaklık farklı mı? Sıcak olan daha akışkan, daha az viskoz. Ve kelimeye dikkat: “viskozite artar” ile “akışkanlık artar” zıt cümlelerdir.
47 soruluk test · viskozitenin tanımı ve birimi, moleküller arası etkileşimin etkisi, Tablo 2.6 ve Tablo 2.7’nin sayısal değerleri, sıcaklık ilişkisi ve ölçme yöntemleri
Viskozite: sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnç. SI birimi
pascal·saniye (Pa·s). Viskozitesi büyük sıvılara viskoz sıvı denir.
Sıvıların akışkan olmasının nedeni öteleme hareketi yapan taneciklerinin
birbirleri üzerinde kaymasıdır.
Viskozite ↑ ise akışkanlık ↓: ikisi ters yönde ilerler.
Moleküller arası etkileşim kuvveti büyük olan sıvıların akışkanlıkları azalır,
viskoziteleri artar.
Hidrojen bağı sayısının artması, moleküllerin birbirinin üzerinden kaymasını
engeller. Su < etilen glikol < gliserin sıralamasının sebebi bu.
Apolar moleküllerde elektron sayısı arttıkça London kuvvetlerinin etkisi artar;
akışkanlık azalır, viskozite artar.
Tablo 2.7 (25 °C, Pa·s ×10⁻⁴): pentan 42 e⁻ 2,24 · hekzan 50 e⁻ 3,00 ·
heptan 58 e⁻ 3,87 · oktan 66 e⁻ 5,08.
Küçük ve küresel moleküllerin akışkanlığı fazla, büyük ve uzun zincirli
moleküllerin akışkanlığı azdır.
Benzer yapıda mol kütlesi büyük olanın akışkanlığı genellikle daha azdır: propil
alkol (60 g/mol) etil alkolden (46 g/mol) daha az akışkandır.
Sıcaklık arttıkça moleküller arası etkileşim kuvvetleri zayıflar; akışkanlık
artar, viskozite azalır.
Örnekler: yollara asfalt dökülürken ziftin ısıtılması, reçelin
kavanozlara sıcak doldurulması.
Ölçme aracı viskozimetre; laboratuvarda genellikle Ostwald viskozimetresi.
Kıyaslama yolları: akma süresi · eğik yüzeyde akış hızı · belirli sürede
akan hacim · çelik bilyenin iniş süresi.
Tablo 2.6’dan (20 °C, Pa·s): aseton 0,316×10⁻³ · benzen 0,625×10⁻³ ·
su 1,01×10⁻³ · etanol 1,20×10⁻³ · propanol 1,94×10⁻³ ·
etilen glikol 19,83×10⁻³ · zeytinyağı 81×10⁻³ · gliserin 1,49 ·
bal 2–10 · pekmez 5–10.