Sıvıların Yüzey Gerilimini Etkileyen Faktörler

Sanat ve bilim, insanlığın gelişimine yön veren iki güçlü unsurdur. Türk sanat tarihinde önemli bir yeri olan ebru, Türk güzellik anlayışıyla doğup gelişen kâğıt süsleme sanatlarının en önemlilerindendir. 16 ve 17. yüzyılda en parlak dönemini yaşayan ebru sanatı, Avrupa'da "Türklerin kâğıdı mermerleştirme sanatı" olarak bilinir. Ebru sanatı, kullanılan malzemeler açısından kimya ile iç içedir; çünkü ebru suyun yüzey gerilimine dayalı olarak çalışır. Ebru sanatı yapılırken boya damlaları, su yüzeyindeki gerilim nedeniyle belirli bir düzen içinde yayılır ve birbiriyle etkileşime girerek çeşitli desenler oluşturur. Sıvının üzerinde boyaların çökmeden yayılmasını sağlamak için sıvının yüzey gerilimini azaltan sığır ödü kullanılır; mürekkep damlaları suyun yüzeyinde yayılmaya başladığında kimyasal reaksiyonlar gerçekleşir ve renkler özel desenler oluşturur.

Yüzey Gerilimi Kavramı

Yüzey gerilimi, kohezyon kuvvetlerinin neden olduğu sıvılara özgü bir özelliktir. 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 moleküllere etki eden kuvvet dağılımı dengesizdir ve net kuvvet sıfırdan büyüktür. İçteki moleküllerin kuvvetleri dengelendiği için 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, sıvıyı dış kuvvetlere karşı dayanıklı hâle getirir.

Yüzey Geriliminin Ölçülmesi

Bir sıvının damla büyüklüğü ve damlasının şekli o sıvının yüzey gerilimi ile ilişkilidir; damlanın şekli ve büyüklüğü, sıvıyı oluşturan moleküller arasındaki etkileşimlerin türü ve gücü ile bağlantılıdır. Sıvıların yüzey gerilimi farklı yöntemlerle ölçülebilir. Bunlardan biri belirli bir hacimdeki sıvının damlalarını saymaktır; bunun için Traube (Trab) stalogmometresi kullanılır — a ve b noktaları arasındaki sıvının kaç damla olduğu sayılarak sıvının yüzey gerilimi belirlenir. Benzer şekilde yüzey gerilimi, pipet, büret veya damlalıkta bulunan belirli hacimdeki sıvının damlaları sayılarak da belirlenebilir. Aynı malzemeler kullanılarak bir sıvının yüzey gerilimi, belirli süre boyunca damlayan sıvı miktarı ölçülerek de tespit edilebilir. Bir metal para üzerine damlatılan sıvının damla sayısı ve sıvının para üzerinde duruş şekli de sıvının yüzey gerilimini gösterir: sıvı ya da damla ne kadar bombeli duruyorsa sıvının yüzey gerilimi o kadar yüksektir.

20 °C'taki bazı sıvıların yüzey gerilimi değerleri (dyn/cm cinsinden) şöyledir: su 73, etil alkol 22, n-hekzan 18, gliserin 63. Başka bir ölçümde N/m biriminde: su 20 °C'ta 0,073, 50 °C'ta 0,068; etanol 20 °C'ta 0,025, 50 °C'ta 0,022; gliserin 20 °C'ta 0,048, 50 °C'ta 0,044; etilen glikol 20 °C'ta 0,063, 50 °C'ta 0,058. Bu veriler hem sıvı cinsinin hem de sıcaklığın yüzey gerilimini nasıl etkilediğini gösterir.

Yüzey Gerilimini Etkileyen Üç Temel Faktör

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

1. Sıvının Cinsi

Farklı sıvıların yüzey gerilimleri birbirinden farklıdır çünkü sıvıların yapıları ve moleküller arasındaki etkileşimler farklılık gösterir. Moleküller arası etkileşimlerin gücü arttıkça sıvıyı oluşturan moleküller arasındaki kohezyon kuvveti artar, bu da yüzey geriliminin artmasına sebep olur. Su (73 dyn/cm), hidrojen bağı yapabilen güçlü bir moleküldür ve bu nedenle yüzey gerilimi, yalnızca zayıf London kuvvetleriyle bir arada duran n-hekzandan (18 dyn/cm) çok daha yüksektir. Gliserin de hidrojen bağı yapabilen bir molekül olduğundan yüzey gerilimi (63 dyn/cm) suya yakın, etanolden (22 dyn/cm) belirgin şekilde yüksektir.

Bir damlalıkla damlatılan sıvı damlasının şekli ve boyutu da moleküller arası etkileşimle ilişkilidir: yüzey gerilimi yüksek olan sıvılar (su, gliserin gibi) daha bombeli ve küçük damlalar oluştururken, yüzey gerilimi düşük olan sıvılar (n-hekzan, etil alkol gibi) daha yayvan ve büyük damlalar oluşturur. Yağlı kâğıt gibi apolar bir yüzey üzerine su, etil alkol, gliserin ve hekzan damlatıldığında, apolar yapıdaki n-hekzan yüzeyi kolayca ıslatırken, polar yapıdaki su ve hidrojen bağı yapabilen gliserin apolar yüzeyi ıslatmaz — çünkü bu sıvıların kendi molekülleri arasındaki kohezyon kuvveti, apolar yüzeyle kurabilecekleri adezyon kuvvetinden çok daha büyüktür.

2. Sıcaklık

Sıcaklık arttığında sıvıyı oluşturan moleküller arasındaki çekim gücü zayıflar. Bu durum sıvıyı oluşturan moleküller arasındaki kohezyon kuvvetinin azalmasına neden olur ve sıvının yüzey gerilimi azalır. Örneğin suyun yüzey gerilimi 20 °C'ta 0,073 N/m iken 50 °C'ta 0,068 N/m'ye düşer; benzer şekilde etanol, gliserin ve etilen glikolün yüzey gerilimi de sıcaklık arttıkça azalır. Bu ilişki, sıcaklık arttıkça moleküllerin kinetik enerjisinin artması ve moleküller arası çekim kuvvetlerinin bu artan hareketliliğe karşı daha az etkili olmasıyla açıklanır.

3. Çözünen Madde (Safsızlık)

Sıvıya eklenen safsızlığın çözünürlüğüne bağlı olarak sıvının yüzey gerilimi değişir. Suda çok çözünen maddeler suyun yüzey gerilimini artırırken, az çözünen veya çözünmeyen maddeler yüzey gerilimini azaltır. Örneğin suya tuz eklendiğinde su ve tuz iyonları arasında, su molekülleri arasındaki etkileşimden daha kuvvetli bir etkileşim oluşur ve suyun yüzey gerilimi artar. Buna karşılık sabun ve deterjan ilavesi sıvının yüzey gerilimini azaltır. Bu tür maddelere, sıvıların yüzey özelliklerini değiştirdikleri için yüzey aktif madde denir.

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. Bu nedenle saf su yerine sabunlu su kullanıldığında, sabunlu suyun bir metal para üzerinde durabildiği damla sayısı saf suyunkinden daha azdır — çünkü sabun, su moleküllerinin birbirini tutan kohezyon kuvvetini zayıflatarak yüzey gerilimini düşürür ve su artık aynı bombeli şekli koruyamaz.

Uygulama: Farklı Etkileşim Türlerine Sahip Sıvıların Karşılaştırılması

Biri polar, biri apolar ve biri hidrojen bağı yapabilen X, Y, Z sıvıları bir yüzeye damlatıldığında, damlaların yüzeyde oluşturduğu görüntü bu üç etkeni ayırt etmeye yarar. Hidrojen bağı yapabilen sıvı en yüksek yüzey gerilimine ve en bombeli damla şekline sahip olurken, apolar sıvı en düşük yüzey gerilimine ve en yayvan damla şekline sahip olur. Su yüzeyinde yürüyebilen bir böcek, bu üç sıvıdan yüzey gerilimi en yüksek olanında (hidrojen bağı yapan sıvıda) en kolay yürüyebilir; çünkü yüksek yüzey gerilimi, sıvı yüzeyinin dış kuvvetlere karşı daha dayanıklı olmasını sağlar. Bu örnekler, yüzey geriliminin yalnızca teorik bir kavram değil, günlük hayattaki birçok gözlemlenebilir olayın (ebru sanatından su üzerinde yürüyen böceklere kadar) doğrudan açıklayıcısı olduğunu gösterir.