Yüzey Gerilimi

Bastığımız toprak niçin ayağımızın altından kaymıyor veya batmıyoruz? Oturduğumuz koltuk yumuşayarak dağılsa ne yapardık? Su niçin akıyor da, % 70'i su olan bedenimiz dik durabiliyor? Bütün bu biraz uçuk gibi gelecek soruların cevabının maddenin atomlarına verilmiş bir özelliğin neticesi olduğunu düşünürseniz ve eğer bu atomları da başıboş ve sahipsiz olarak görürseniz, üzerinde yürüdüğünüz asfaltın batacağından, bindiğiniz geminin sıvılaşıp suya karışacağından, pantolonunuzun kemerinin her an buharlaşıp uçabileceğinden endişe ederek yaşamak zorunda kalırsınız.
Fakat böyle olmuyor. Maddenin birçok fiziki özelliğini araştırıp ortaya çıkarıyor, formüllerini yazıyor, bu formüllere göre hesaplar yapıyor ve bu hesaplara göre de birçok alet ve eşya yapıyoruz.

Kohezyon ve Adhezyon
İster katı, ister sıvı, isterse gaz hali olsun bir maddenin atomları arasında birbirlerine karşı kuvvet etkileşimleri vardır. Aralarında uygun bir mesafe bulunan iki atom arasında çekme kuvveti tesirlidir. Eğer iki atom, bu çekme kuvvetinin tesiri ile birbirine çok fazla yaklaşırsa bu defa birbirlerini itmeye başlarlar. İtme ve çekme kuvvetlerinin dengelendiği mesafede atomlar en kararlı konumlarında bulunur.

Bir atomu kararlı konumundan ayırmak, yani diğer atoma yaklaştırmak veya uzaklaştırmak için enerjiye ihtiyaç vardır. Gereken bu enerji miktarı katı madde atomları için büyük, sıvılar için küçük, gazlar için ise ihmal edilebilecek kadar azdır. Böylece katı madde katılığını muhafaza eder, sıvılar ise moleküllerarası kuvvetlerin gaz halinden oldukça büyük olması sebebiyle, katılar gibi hacimlerini muhafaza eder, fakat akışkan bir özellik kazanırlar. Bir maddenin atomları arasındaki bu çekme kuvvetlerine kohezyon adı verilir.

Atomlararası kuvvetler sadece aynı madde içerisinde tesir göstermezler. Bir maddenin atomu ile diğer bir maddenin atomu arasında da çekme kuvvetleri mevcuttur ve buna da adhezyon adı verilir. Bir bardak içerisindeki suyu ele aldığımızda; su moleküllerinin kendi aralarındaki çekme kuvvetleri kohezyon, bardak molekülleri ile su molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri ise adhezyondur.

Hidrofob ve Hidrofil Maddeler
Kohezyon ve adhezyon kuvvetleri, bir sıvının, bulunduğu ortamdaki davranışını belirler. Sıvının kohezyonu, bulunduğu kabın uyguladığı adhezyondan büyükse, sıvı, bulunduğu kabın çeperlerine yapışamaz, yani kabı ıslatmaz. Bu duruma en iyi örnek cıvadır. Kohezyonu çok yüksek olan cıva bir cam kaba konulduğunda, camın çeperlerine yapışmaz. İnce bir boru içerisindeki cıva sütununa tesir eden bileşke kuvvet ise aşağı doğrudur. Bir cam kaba konulan suyun kohezyonu kabın uyguladığı adhezyondan küçük kalır. Böylece su cama yapışır ve camı ıslatır. İnce bir boru içerisindeki su ise boru çeperleri tarafından çekilerek adhezyonun sıvı ağırlığı ile dengelendiği noktaya kadar yükseltilir. Bu olaya kapilarite (kılcallık) tesiri denir (Şekil 1). Bu kılcallık kanunu sayesinde topraktan emilen su ağaçların çok ince taşıma borularında kökten en yüksekteki yaprağa kadar yükselir. Hiç düşündünüz mü, Yaratıcımız bu kılcallık kanununu koymasaydı, bitkiler nasıl beslenirdi? Bitkiler beslenemeyince hayvanlar ve bizler ne yapardık.

Günlük hayatımızda kullandığımız bir çok madde, cıva tarafından ıslatılamazken su tarafından ıslatılır. Eğer suyun kohezyonu cıva gibi yüksek olsaydı, vücudumuzu ve elbiselerimizi ıslatmazdı; böylece sudan istifademiz imkansız olurdu. Teknolojik uygulamalarda çeşitli katkı maddeleri ile sıvının veya katının özelliklerini değiştirerek kohezyon ve adhezyon kuvvetlerinin büyüklüğünü değiştirmemiz mümkündür.

Her ne kadar su bir çok maddeyi ıslatırsa da, suyun cıva gibi davranarak ıslatmadığı maddeler de vardır. Böyle maddelere suyu sevmeyen hidrofob maddeler, su tarafından ıslatılan maddelere ise, suyu seven hidrofil maddeler adı verilir.

Bu olaydan istifade ederek kontakt lensler göz küresi üzerinde durmaktadır. Özellikle yüksek diyoptrillerde gözlüklerden daha kaliteli görüş sağlayan kontakt lensler gözyaşını seven bir maddeden yapıldığından kornea tarafından çekilerek gözyaşı film tabakasında yüzer pozisyonda durur.

Yüzey Gerilimi
Katı ve sıvıların en muhteşem özelliklerinden birisi de yüzey gerilimidir. Yüzey geriliminin günlük hayatımızda farkında olmadan sıkça karşılaştığımız tesirleri olduğu gibi teknik uygulamalarda karşılaşılan tesirleri de vardır.

Katılarda ve sıvılarda maddenin iç kısmındaki bir atom, komşu atomlar tarafından her yönden eşit bir kuvvetle çekilir. Böylece iç kısımdaki bir atoma tesir eden bütün kuvvetler dengede olur ve atomlararası mesafe sabit kalır. Ancak bu durum maddenin yüzeyinde değişir. Yüzeydeki bir atoma içerideki atomlar tarafından uygulanan çekme kuvveti, yüzey üzerindeki gaz ortamın atomları tarafından dengelenemez. Bunun sonucunda yüzeydeki atomlarla içerideki komşu atomlar arasındaki mesafe azalır ve dengelenmemiş kuvvetlerden doğan bir enerji fazlalığı ortaya çıkar. Bu olaya yüzey gerilmesi adı verilir ve bu gerilme dengelenmemiş kuvvetlerin bileşkesine eşittir (Şekil 2).

Sıvı Yüzeyinin Gerilmesi
Bir leğen içerisindeki durgun suya dikkatlice baktığımız zaman, su yüzeyi sanki bir zar ile kaplıymış gibi görünür. Bunun sebebi yüzey gerilimidir. Sıvı yüzeyindeki atomların, iç kısımdaki atomlar tarafından büyük bir kuvvetle çekilmesi sonucu sıvı yüzeyi adeta bir zar gibi gerilir. Sıvının içerisine girmek veya dışına çıkmak isteyen yabancı bir maddenin bunu başarabilmesi için bu zarı delmesi yani yüzey gerilimini yenmesi gerekir. Bir kap içerisindeki suyun üzerine bir jileti çok yavaş bir şekilde bırakırsak jiletin ağırlığı suyun yüzey gerilimini yenemediği için, çelikten yapıldığı halde, jilet su üzerinde durur.

Yüzey geriliminin teknolojik uygulamalara tesirleri olumlu veya olumsuz olabilir. Yüzey geriliminin olumsuz tesir ettiği uygulamalarda ortama yüzey gerilimini düşüren katkı maddelerinin ilave edilmesi zaruridir.

Buraya kadar anlattığımız olayların önem kazandığı teknolojik bir uygulama, madencilikte, yüzdürme yoluyla cevher zenginleştirme metodu olan flotasyondur. Flotasyon işleminde mineral taneleri bir sıvı içerisinde gang'ından ayrılarak yüzeyde teşkil edilen köpükte toplanır. Kollektör adı verilen katkı maddeleri ile yüzeyi hidrofob hale getirilen mineral taneleri, adhezyon kuvveti sayesinde hava kabarcıklarına tutunarak sıvının üzerine çıkar. Ancak hava kabarcığının yüzeye çıkabilmesi için sıvı yüzeyindeki zarı delmesi gerekir. Bunun için sıvının yüzey geriliminin düşük olması lazımdır, ki bu da sıvı içerisine köpürtücüler ilave edilerek sağlanır. Aksi takdirde yükselen mineral yüklü hava habbecikleri sıvı yüzeyinde sert bir zemine çarpmış gibi olur ve parçalanarak taşıdığı tanecikleri kaybeder.

Suda yaşayan bir çok böcek türü yukarıda anlattığımız fizik kaidelerini kullanarak hayatını sürdürür. Bunlara en güzel örnek su örümceğidir. Su örümceği, su üzerinde yüzey geriliminden dolayı oluşan zarın üzerinde yürür. Su üzerine yapışıp kalmaması için ayaklarının ucunda hidrofob balmumuna bulanmış kıllardan oluşan kadifemsi sık bir örgü mevcuttur. Suda yaşayan Gerris gibi bir çok böcek türü de hidrofili ve hidrofobi sayesinde değişik şekillerde hayatlarını sürdürürler. Flotasyon olayında bir cevher tanesini suyun üzerinde tutabilmek ve işlemin verimli bir şekilde sürmesini sağlamak için kollektör, köpürtücü, pH düzenleyicisi, aktifleştirici, pasifleştirici, kuvvetlendirici, koruyucu gibi bir çok katkı maddelerini bir ölçü içerisinde kullanarak son derece dikkatli bir işlem yapmamız gerekirken, suyun üzerinde yaşayan şuursuz böceklerin aynı fizik kaidelerini kullanarak hayatlarını mükemmel bir biçimde devam ettirmesi, bu canlıların ilim sahibi bir Zat'ın eseri olduklarını ortaya koymaktadır.

Surfaktan Maddeler
Surfaktan maddeler en basit tanımı ile bir sıvının yüzey gerilimini azaltan maddelerdir. Hidrofilik bir baş ve hidrofobik bir kuyruktan oluşan surfaktan molekülleri, hava ile suyun birleştiği yerde yoğunlaşırlar. Suyun içinde iken bu moleküllerin hidrofobik kısımları hava kabarcığı tarafından çekilir ve hava kabarcığının etrafını sararlar. Suyun dışında ise bunun tersi olur. Saf suyun yüzey gerilimi yüksek olduğu için su içerisindeki bir hava kabarcığı yüzeye gelince hemen patlar. Surfaktan maddeler ise yüzey gerilimini düşürdükleri için oluşan hava kabarcıkları yüzeye çıktığında uzun süre patlamadan kalırlar.

Surfaktan maddelerin bu özelliğinden, elbiselerimizin deterjan ile temizlenmesinde faydalanırız. Surfaktan molekülünün hidrofobik kısmı kumaş üzerindeki yağ tarafından çekilir ve yağın etrafı hidrofilik kısım ile kaplanır. Böylece yağ molekülü yuvarlanarak atılır. Deterjanlar ve sabunlar suni olarak imal edilen surfaktan maddelerdir. Tabiatta ise çürümüş bitki artıklarının parçalanma ürünleri olarak birçok tabii surfaktan suya salınır. Bu surfaktanlara en iyi örnek humic asittir. Bir şelalede gördüğümüz köpüklenme bu tabii surfaktanlar sayesindedir.

Aynı köpüklenme olayı denizlerde de meydana gelir. Dalgaların kıyıya vurması ile oluşan köpükler, plankton adı verilen mikroskobik alglerin yıkımı ile oluşan surfaktanlar sayesinde oluşmaktadır. Gerek şelalede, gerekse denizde olsun bu köpüklenmenin hikmetli yönleri vardır. Bu köpükleri oluşturan surfaktanlar deniz suyunda çok az bulunan fosfor, magnezyum gibi elementleri; ayrıca bakır, çinko, kobalt gibi ağır metalleri seçip ayırır. Daha sonra bu köpüklerin patlaması ile sodyum klorür (sofra tuzu) ve diğer elementler havaya sıçrar. Sıçrayan aerosollerden bir kısmı rüzgarın tesiri ile tekrar denize düşerken, diğerleri yükselir ve havada asılı halde kalır. Son derece iyi bir su buharı taşıyıcısı olan sodyum klorür bulut oluşumunu sağlar. Aerosoller ayrıca bitkiler için gereken elementleri ihtiva ettiğinden, yağmur ile birlikte yeryüzüne inerek toprağı beslerler. Bu sayede fakir bir toprak, yüz yıl zarfında tabii olarak yetişen bitkiler için gerekli bütün elementleri kazanabilir. Denizlerde oluşan bu surfaktanlar olmasaydı çok az bulut oluşur ve iklimler çok kurak geçerdi. Yine deniz suyunun ihtiva ettiği yağlı cisimler ve proteinler de surfaktanlar sayesinde hikmetli bir şekilde temizlenmektedir.

Küreleşme Eğilimi
Katı ve sıvıların yüzeyinde kuvvet dengesizliğinden doğan enerji fazlalığı bulunduğunu belirtmiştik. Kainattaki bütün maddeler minimum enerji seviyesinde bulunmak ister. Bu sebeple katılar ve sıvılar buldukları ilk fırsatta yüzey alanlarını küçülterek, yüzey geriliminden doğan enerji fazlalığını minimuma indirmek isteyecektir. Sabit bir hacmi minimum yüzey alanı ile kaplayan şekil küre olduğundan, sıvılar, buldukları ilk serbest ortamda hemen küre şeklini alarak yüzeylerini minimuma indirirler. Örnek olarak havada asılı halde duran sisin veya musluktan damlayan suyun küre şeklinde olması gösterilebilir.

Sabun Köpüğü Modeli ve Laplace Denklemi

Yüzey gerilimi genellikle ince bir sıvı tabakasını germe olayı ile modellenir ki, bu da birçoğumuzun çocukluğunda oynadığı sabunlu sudan balon yapma hadisesinden başka bir şey değildir. Böyle bir balonu şişirebilmek için gereken basınç farkı, sabun köpüğünün yüzey gerilimine ve balonun yarıçapına bağlıdır. Bu durum DP=2g/r formülü ile ifade edilir ve bu bağıntıya Laplace denklemi denir. Herhangi bir sıvı için yüzey gerilimi sabittir. Böylece Laplace denkleminden küçük yarıçaplı bir sabun köpüğünü şişirmek için gereken basınç farkının, büyük yarıçaplı sabun köpüğünü şişirmek için gereken basınç farkından büyük olduğu görülür. Laplace denkleminin çocukların balon yapabilmeleri için çıkarılmadığı bir gerçektir. Bu denklem ince bir sıvı filmi ile kaplı elastik bir membrana kolayca uygulanabilir. Bunun en mükemmel uygulaması akciğerlerimizde mevcuttur.

Akciğerlerimizde oksijenkar-bondioksit gaz değişiminin gerçekleştiği küre şeklindeki milyonlarca keseciğin her birine alveol adı verilir. Bu alveoller toplamı 100-140 m2 alan kaplayan elastik yüzeylere sahiptir ve üzerleri nemlidir. Bu nem tabakasının yüzey gerilimi, akciğerlerin genişlemesine karşı büyük bir direnç oluşturur. Ayrıca Laplace denkleminde ifade ettiğimiz gibi, küçük bir küreyi bir birim genişletmek için gereken basınç farkı daha büyüktür. Bu yüzden yanyana duran iki alveolden küçüğü büyüğünden daha fazla bir genişleme direnci gösterir ve gaz akımı küçük alveolden büyük alveole doğru olur. Böylece küçük alveol gittikçe daha da küçülerek yok olur. Oysa gerçekte akciğerlerde böyle bir durum söz konusu olmaz çünkü alveollerde bulunan Tip II pnömosit hücreleri tarafından sentezlenen surfaktan ile alveollerin yüzey gerilimi düşürülür. Böylece alveollerin gaz akımı ile eşit miktarlarda büyümeleri sağlandığı gibi, nefes alırken akciğerlerimizin genişlemesi için gereken enerji de azalmış olur. Eğer surfaktan sentezi olmasaydı nefes alıp vermemiz son derece güç, hatta imkansız olacaktı. Nitekim Respiratuvar Distress Sendromu denilen hastalıkta yeni doğan bebekler, yeteri kadar surfaktan sentezleyemedikleri için soluk alıp verirken çok enerji harcarlar ve bu durum yorgunluktan bitkin düşerek ölmelerine yol açabilir.

Netice
Tabiatta yüzey gerilimi ve bununla ilgili fiziki hadiseler dünya hayatımızın mükemmel bir şekilde sürmesini sağlarken, kullanılan tabii surfaktan maddeler de hiçbir çevre kirliliğine sebep olmaz. Teknolojik uygulamalarda ise yüzey geriliminin menfi tesirleri giderilmek istenirken, kullanılan suni surfaktanlardan birçoğu nehir sularındaki bakteriler tarafından parçalanamaz ve kimyevi atıkların boşaltıldığı sularda son derece zararlı köpüklenmelere sebep olur. Yüzey geriliminin tabiattaki ve teknolojik uygulamalardaki tesirlerini karşılaştırdığımızda karşımıza çıkan tablo, hiçbir fizik kanununun sebepsiz ve hikmetsiz yaratılmadığını, bilakis çok basit gibi gördüğümüz atomlar arasındaki çekim kanunu ile, medeniyetlerin kurulmasının imkan dahiline girdiği anlaşılmaktadır. Atomlar arasındaki çekim kanunu ile medeniyetler kurulmasına, bitkilerin beslenmesine, gemilerin yüzmesine, uçakların uçmasına imkan veren Kudreti Sonsuz'un, yine atomlara verdiği başka bir kanun, yapacağımız atom veya hidrojen bombaları ile dünyamızı cehenneme çevirme imkanını da vermiştir.

O zaman bütün iş akılsız atomlara değil, atomların hikmetini anlayıp hayırlı işlerde kullanmayı araştıracak akıllı bilim adamlarına düşüyor, değil mi?