2 Su molekülünden gündelik davranışlara

2.1 Molekülün yapısı ve hidrojen bağları

Suyun akmasını, bir yüzeyde toplanmasını ya da ısındığında değişmesini anlatırken gözümüzün seçebildiği ölçekte konuşuruz. Molekül ölçeğine geçtiğimizde ise başka sorular ortaya çıkar: Suyu oluşturan atomlar nasıl bir arada durur? Bir su molekülü, yanındaki molekülle nasıl etkileşir? Bu soruların yanıtı, gündelik özelliklerle küçük ölçekteki yapı arasında bağlantı kurmamızı sağlar. Önce tek bir molekülü tanıyacağız; ardından bu molekülün çok sayıda komşusuyla birlikte bulunduğu sıvıya döneceğiz.

H₂O formülü, bir su molekülünde iki hidrojen atomu ile bir oksijen atomu bulunduğunu söyler. Formüldeki küçük 2, hidrojen atomlarının sayısını belirtir; oksijenin yanında sayı bulunmaması, bir oksijen atomunu gösterir. Bu kısa yazım molekülün bileşimini bildirir. Atomların uzaydaki yerini, elektronların dağılımını ve çevredeki moleküllerin etkisini ise ayrıca açıklamak gerekir. H₂O yazısını okumakla molekülün yapısını anlamak arasında bu yüzden birkaç adım vardır.

Atomları bir arada tutan yapı

Su molekülünde oksijen, iki hidrojenin her biriyle birer kovalent bağ kurar. Kovalent bağı, atom çekirdekleri arasında elektron paylaşımının katkı verdiği bir bağ olarak düşünebiliriz. Paylaşım sözcüğü burada elektronların iki ayrı atomun çevresinde sırayla dolaşmasını anlatmaz; bağlı atomların elektron dağılımı birlikte ele alınır. Molekül çizimlerinde O ile H arasına konan düz çizgi, bu ilişkiyi sade bir işaretle gösterir.

Elektron paylaşımı her bağda eşit dağılmak zorunda değildir. O–H bağında elektron dağılımı oksijen tarafına doğru kutuplaşır. Oksijenin bağ elektronlarını kendine çekme eğiliminin hidrojenden daha güçlü olması, bu kutuplaşmayı açıklamak için kullandığımız temel kavramdır; buna elektronegatiflik deriz. Böylece aynı bağa iki bilgiyle bakarız: Atomlar kovalent olarak bağlıdır ve bu bağın elektron dağılımı eşit değildir. Bağın yapısı ile kutuplaşması, birbirini tamamlayan özelliklerdir.

Üç atom düz bir sıra oluşturmaz. İki O–H bağı, oksijende birleşen bükük bir geometri meydana getirir. NIST’in gaz fazı molekülleri için tuttuğu veritabanında, suyun denge geometrisindeki H–O–H açısı yaklaşık 104,5° olarak verilir. Bu değeri, hidrojenlerin oksijenin iki yanına tam karşılıklı yerleşmediğini göstermek için kullanabiliriz. Buradaki açı, tek molekülün içindeki iki bağ arasındadır; komşu iki molekülün birbirine hangi yönde yaklaştığını belirten açıyla karıştırılmamalıdır.

Denge geometrisi, molekülün hareketini açıklarken başvurduğumuz bir referans yapıdır. Atomların bu şekil üzerinde hareketsiz durduğu anlamına gelmez. Su molekülünün O–H bağları uzayıp kısalabilen, bağlar arasındaki açı da değişebilen titreşim hareketlerine katılır. Bu nedenle denge açısını, hareket sırasında hiç değişmeyen bir açı gibi düşünmeyiz. Sıvı içindeki anlık yapıyı ele alırken çevredeki moleküllerin etkisini de hesaba katarız.

Su molekülünün kutuplu yapısı

O–H bağlarındaki eşit olmayan elektron dağılımı, oksijen tarafının kısmen negatif, hidrojen taraflarının kısmen pozitif olarak gösterilmesine yol açar. Şemalarda bunu δ− ve δ+ işaretleriyle belirtiriz. Küçük delta harfi, burada kısmi yükten söz edildiğini hatırlatır. H₂O molekülü bütün olarak elektriksel bakımdan nötrdür; molekülün içinde yük dağılımının eşit olmaması, toplam yükünün sıfır olmasına engel değildir. Bu iki özelliği aynı anda düşünmek, suyun komşularıyla etkileşimini anlamanın başlangıcıdır.

Kısmi yük işaretlerini, oksijenin ve hidrojenlerin birbirinden ayrılmış iyonlar olduğu biçiminde okumayız. Şekilde hâlâ O–H bağlarıyla kurulmuş bir su molekülü vardır. Ayrıca δ işareti tek başına sayısal bir yük miktarı vermez. Elektron dağılımını atomlara paylaştırarak kısmi yük hesaplamanın farklı yöntemleri bulunur; bu yöntemler aynı sayıları vermek zorunda değildir. Burada ihtiyacımız olan, belirli bir hesaplama modelinin rakamları değil, molekül içindeki elektriksel dağılımın yönüdür.

Molekülün bükük biçimi de bu dağılımın sonucunu etkiler. İki O–H bağının kutuplaşmaları, uzaydaki yönleriyle birlikte düşünülür. Suda bu katkılar birbirini tümüyle dengelemez; molekülün bir elektriksel dipolü vardır. Dipol sözcüğü, pozitif ve negatif yük dağılımlarının merkezlerinin birbirinden ayrılmasını ifade eder. Böylece molekül, toplam yükü sıfır olsa da elektriksel bakımdan her yönden aynı görünen bir yapı oluşturmaz. Komşu molekülün yaklaşma doğrultusu bu nedenle anlam kazanır.

Tek molekülün dipolüyle bir bardak suyun bütünü için konuşurken ölçeği değiştirdiğimizi unutmamalıyız. Dışarıdan bir elektrik alanının yönlendirmediği, makroskobik olarak her yönde aynı özellikleri gösteren bir sıvı örneğinde moleküler dipoller tek bir yönde toplanmaz. Çok sayıda molekülün farklı yönelimleri, bütün örnek üzerindeki ortalamada birbirini dengeleyebilir. Bu durum, yakın komşuların birbirleriyle etkileşmediği anlamına gelmez. Yerel ilişkiler ile bütün örneğin ortalama davranışı birlikte ele alınır.

Bir molekülden komşusuna hidrojen bağı

İki su molekülü uygun biçimde yaklaştığında, birindeki oksijene bağlı hidrojen ile diğerindeki elektronca zengin oksijen bölgesi arasında hidrojen bağı kurulabilir. Bunu O–H···O biçiminde yazabiliriz. İlk O–H, aynı molekülün içindeki kovalent bağı; noktalarla gösterilen H···O ise komşu molekülle kurulan hidrojen bağını belirtir. Su örneği üzerinden iki ayrı bağlantı düzeyini böyle ayırırız. Genel hidrojen bağı kavramı başka maddelerde aynı molekülün farklı bölgeleri arasındaki etkileşimleri de kapsayabilir.

Bu gösterimde hidrojeni kovalent bağla taşıyan O–H grubu, hidrojen bağı vericisi ya da donör olarak adlandırılır. Etkileşime elektronca zengin bölgesiyle katılan taraf ise alıcı, yani akseptördür. Verici sözcüğü burada hidrojen atomunun mutlaka yerinden kopup öteki moleküle geçtiğini anlatmaz. Terimler, seçtiğimiz etkileşimde iki tarafın rolünü belirtir. Su molekülü bir komşusuyla verici rolündeyken başka bir komşusuyla alıcı rolünde bulunabilir; molekülleri değişmez iki sınıfa ayırmış olmayız.

Şekil 4, molekül içindeki O–H bağlarıyla komşular arasındaki H···O ilişkisini birlikte gösterir. Kesintisiz ve kesikli çizgileri izleyerek, aynı molekülün atomlarını komşu molekülle kurulan etkileşimden ayırabiliriz.

Hidrojen bağında yönelim önemlidir. Verici oksijen, ona bağlı hidrojen ve alıcı oksijenin aynı doğrultuya yaklaşması elverişli bir düzen oluşturabilir. Bu, sıvıdaki bütün etkileşimlerin kusursuz biçimde doğrusal olduğu anlamına gelmez. Çevredeki diğer moleküller ve hareketler, uzaklıklarla açıları değiştirir. Bu nedenle bir hidrojen bağını zihnimizde her yönde eşdeğer bir yapışma noktası gibi canlandırmak yerine, belirli yönelimleri tercih eden bir etkileşim olarak düşünmek daha açıklayıcıdır.

Kısmi yüklerin çekimi, hidrojen bağını anlamak için yararlı bir başlangıçtır. Birbirine yaklaşan moleküllerin elektron dağılımları da etkileşir. IUPAC’ın tanıma eşlik eden açıklaması, elektrostatik etkilere ek olarak donör ile akseptör arasındaki yük aktarımının hidrojen bağına kısmi kovalent nitelik kazandırabildiğini belirtir. Bu nedenle hidrojen bağı ile molekül içindeki O–H bağını ayırırken, bunları elektronik bakımdan birbirinden bütünüyle kopuk olaylar olarak düşünmeyiz. O–H ve H···O gösterimleri, molekülü kuran bağlantı ile komşu molekülle etkileşimini ayrı izlememizi sağlar.

Sıvıda değişen komşuluklar

Sıvı suya döndüğümüzde, tek bir molekülün çevresinde çok sayıda başka molekül bulunur. Moleküller yer değiştirir ve yönelir; aralarındaki hidrojen bağı ilişkileri de yeniden düzenlenir. Bu ilişkiler, uzaya yayılan ve zaman içinde değişen bir ağ olarak ele alınır. Ağ sözcüğü burada gerilmiş, düğümleri sabit bir örgüyü anlatmaz. Belirli bir anda hangi moleküllerin yakın komşu olduğunu ve hangi yönelimlerin etkileşime elverdiğini düşünmemizi sağlar. Sıvının yapısını tarif ederken hareketi de tarif etmiş oluruz.

Bir molekülün yönünü değiştirmesi, çevresindeki ilişkileri de etkileyebilir. Hidrojen bağıyla bağlı komşuların hareketini birbirinden bütünüyle bağımsız düşünemeyiz. X-ışını ölçümlerini moleküler dinamik hesaplarıyla karşılaştıran bir araştırma, yakın çevrenin moleküler hareket üzerinde etkili olduğunu gösterir. Burada söz konusu olan, çizilmiş bir şekle hareket eklemekten daha fazlasıdır: Molekülün hangi çevrede bulunduğu, nasıl hareket edebildiğinin de bir parçasıdır. Çevre değiştikçe hareketin olanakları da değişebilir.

Su ağını açıklarken sık kullanılan bir ideal düzen, bir molekülün iki hidrojen bağı vermesi ve iki hidrojen bağı almasıdır. Böylece o molekülün çevresinde dört bağlantı düşünülür. Bu düzen, yerel çevreyi anlamak için yararlıdır; sıvıdaki her molekülün her anda iki hidrojen bağı verdiği ve iki hidrojen bağı aldığı anlamına gelmez. Moleküler dinamik araştırmaları, bu düzenin yanı sıra başka yerel bağlantı örüntülerini ve bunların zamanla değişimini de inceler. Bir ideal düzenin bulunmasıyla bütün sıvının o düzenden oluşması farklı iddialardır.

Bağ sayısını tartışırken bir başka ayrıntı daha ortaya çıkar: Araştırmada neyin bağlı sayıldığı açıklanmalıdır. Bir moleküler dinamik hesabında iki molekülün uzaklığı ve birbirine göre açısı için ölçütler seçilebilir. Hareket sırasında bu ölçütlerin sınırından geçen bir ilişki, kayıtta kurulmuş ya da kopmuş olarak sınıflandırılır. Seçilen ölçütler ve molekülleri temsil eden hesap modeli, elde edilen ayrıntıları etkileyebilir. Bu yüzden bir araştırmanın bağ sayısını, koşullarından bağımsız ve her su örneği için değişmez bir sayı gibi kullanamayız.

Kavram kutusu — Molekülün yapısı ve komşuluk düzeni

Bir molekül çizimindeki O–H bağlantıları, atomların molekül içindeki bağlanışını gösterir. Moleküller arasına eklenen kesikli çizgiler ise seçilen çevredeki hidrojen bağı ilişkilerini anlatır. Komşuluk düzeninin değişmesini, her defasında suyun hidrojen ve oksijen gazlarına ayrılması olarak okuyamayız. Aynı H₂O birimleri farklı komşularla etkileşebilir. Bu açıklama, suda hiçbir koşulda kimyasal tepkime veya proton aktarımı olmayacağı iddiası da değildir; burada incelenen konu, sıvının moleküler hareketi ile hidrojen bağı ağının yeniden düzenlenmesidir. Molekül içi yapı ile moleküller arası düzen ayrı ayrı izlendiğinde, çizimin hangi değişimi gösterdiği anlaşılır.

Moleküler hareketi gözlemek ve modellemek

Suya ilişkin bir simülasyon görüntüsünde molekülün iç biçimi sabit tutulmuş olabilir; başka bir hesapta O–H bağlarının ve H–O–H açısının değişmesine izin verilir. Bu seçimler, moleküllerin hangi hareketlerini hesapta izleyebileceğimizi etkiler. Deneylerle karşılaştırma, modelin hangi gözlemleri ne ölçüde karşıladığını sınamaya yarar. Bu yüzden bir animasyondaki her ayrıntıyı, sıvının doğrudan ölçülmüş görüntüsü gibi okumayız. Görüntünün neyi temsil ettiğini, kullanılan modelle birlikte anlamlandırırız.

Moleküler hareketin süresinden söz ederken hangi olayın izlendiğini belirtmek gerekir. Molekülün titreşmesi, yöneliminin değişmesi ve hidrojen bağı kurduğu komşusunu değiştirmesi aynı olay değildir. Küçük bir yönelim değişikliği, hidrojen bağının mutlaka kopmasını gerektirmez. Yalnız açısal değişim için izlenen süreyle, bağın kopmasını ve yeniden kurulmasını da kapsayan bir sürecin süresi ayrı tanımlanır. Bu nedenle sıvıdaki bütün hareketleri tek bir zaman değeriyle anlatamayız.

Molekül düzeyindeki bu hareketlilik, büyük ölçekte gözlenen özelliklerle birlikte düşünülmelidir. Bir sıvı örneğinin ortalama özellikleri belirli koşullarda kararlı görünebilirken, o örnekteki moleküller hareket etmeyi sürdürür. Tek tek komşulukların değişmesiyle çok sayıda molekülün oluşturduğu ortalamanın korunması bir arada mümkündür. Bu bakış, suyu yalnız hareket eden bağımsız tanecikler olarak da yalnız birbirine bağlanmış sabit bir yapı olarak da ele almanın neden eksik kaldığını gösterir.

Şimdi H₂O formülünü, bükük molekül geometrisini, kutuplu yük dağılımını ve komşularla kurulan hidrojen bağlarını birlikte düşünebiliriz. Bunlar, suyun farklı koşullardaki davranışını açıklarken başvuracağımız yapısal öğelerdir. Bir sonraki adımda sıcaklık ve basınç koşullarıyla birlikte katı, sıvı ve gaz hâllerini ele alacağız. Böylece aynı kimyasal bileşimin, moleküllerin yerleşimi ve hareketleri bakımından nasıl farklı durumlar oluşturabildiğini incelemeye başlayacağız.

2.2 Sıvı katı ve gaz hâlleri

Bir buz parçasını, bir bardak suyu ve havadaki su buharını aynı maddeyle ilişkilendiririz. Buna rağmen bu üç durumda gördüğümüz davranışlar birbirinden farklıdır. Buzun biçimi vardır; sıvı su akar; gaz hâlindeki su, bulunduğu ortamdaki diğer gazlarla birlikte yayılabilir. Bu farkı anlamak için kimyasal bileşimin yanına bir bilgi daha eklememiz gerekir: Su hangi fiziksel hâlde ve hangi koşullarda bulunmaktadır?

Aynı moleküller, farklı hareket olanakları

Gündelik koşullarda karşılaştığımız kristal buzda moleküller belirli bir yerleşim düzeninin parçalarıdır. Katı olmak, moleküler hareketin durması anlamına gelmez. Moleküller bulundukları konumların çevresinde titreşebilir; fakat sıvıdaki gibi kolayca komşularının arasından geçerek yer değiştiremezler. Bir buz parçasının biçimini korumasıyla molekül ölçeğindeki hareketin sürmesi bu nedenle birbiriyle çelişmez.

Sıvı suda moleküller birbirine yakın kalırken yer değiştirebilir. Böylece su, içine konduğu kabın biçimine uyum sağlar ve bir yerden başka bir yere akabilir. Önceki alt bölümde ele aldığımız değişken komşuluklar burada büyük ölçekteki davranışa bağlanır. Akma, su moleküllerinin kimliğini kaybetmesini gerektirmez; moleküllerin birlikte oluşturduğu düzenin hareket edebilmesine dayanır.

Seyrek gaz hâlinde moleküller arasındaki ortalama uzaklık daha büyüktür. Moleküller daha geniş bir alanda hareket eder ve karşılaşmalarında birbirleriyle etkileşir. Burada gaz hâlini yalnızca çok sıcak bir tencereyle özdeşleştirmemeliyiz. Havada, sıvı suyun kaynamadığı sıcaklıklarda da su buharı bulunur. Havanın neminden söz ederken bu gaz hâlindeki suyu da hesaba katmış oluruz.

Sıcaklığı basınçla birlikte okumak

“Su 100 °C’de kaynar” ifadesi, basınç koşulu söylendiğinde anlam kazanır. Saf su için bu, standart atmosfer basıncında, yani 1 atmosferde, yaklaşık bir değerdir. Aynı basınç 101,325 kPa olarak yazılır. Dış basınç değiştiğinde kaynama sıcaklığı da değişir.

Dış basıncın daha düşük olduğu yüksek yerlerde su daha düşük sıcaklıkta kaynayabilir. Basınçlı bir kapta ise kaynama sıcaklığı yükselir. Bu iki durumu aynı ilişki açıklar: Kaynama, suyun buhar basıncıyla çevresindeki basıncın karşılaşmasına bağlıdır. Sıcaklık yükseldikçe buhar basıncı artar; uygun koşullarda sıvının içinde oluşan buhar kabarcıkları büyüyebilir.

Basıncın rolü yalnız kaynamayla sınırlı değildir. Buz ile sıvı su arasındaki denge de basınç ve sıcaklıkla birlikte tanımlanır. Daha geniş koşullara bakıldığında farklı buz fazlarıyla karşılaşılır. Bu nedenle gündelik buz için öğrendiğimiz özellikleri bütün katı su biçimlerine taşımak doğru olmaz. IAPWS’nin erime ve süblimleşme bağıntıları, farklı buz fazlarının sınırlarını ayrı ayrı ele alır.

Buharlaşmak için kaynamak gerekmez

Açıkta duran bir suyun miktarı, kaynama görülmeden de azalabilir. Sıvının yüzeyinden gaz fazına geçen moleküller çevreye taşınır; bu süreç buharlaşmadır. Birikintinin zamanla kurumasını ya da ıslak bir yüzeyin suyunu kaybetmesini açıklamak için suyun önce kaynama sıcaklığına ulaşmasını beklemeyiz. Güneşten veya çevreden gelen enerji, bu geçişe katkı verebilir.

Gaz fazına geçiş enerji gerektirir. Bu enerji suyun kendisinden ve çevresinden karşılanabilir; dolayısıyla buharlaşma, geride kalan suyun veya temas ettiği yüzeyin soğumasına katkı verebilir. Burada yüzeyin ne kadar soğuyacağına ilişkin tek bir sayı söylemiyoruz. Enerjinin nereden geldiğiyle ne kadar suyun faz değiştirdiği, aynı olayın birlikte düşünülmesi gereken iki yönüdür.

Kaynama sırasında görülen beyaz bulutsu görüntüye günlük dilde buhar deriz. Oysa gaz hâlindeki su buharı görünmez. Görünen beyazlık, buharın soğuyup çok küçük sıvı damlacıkları oluşturmasıyla ortaya çıkabilir. Böylece aynı görüntünün içinde iki aşama bulunur: Sıvıdan ayrılan görünmez gaz ve onun bir bölümünün yeniden sıvıya dönüşmesi. Görünen bulutun büyüklüğü, oluşan su buharının miktarını tek başına ölçmez.

Soğuk bir bardağın dışındaki damlacıklar da bu ayrımı görünür kılar. Çevredeki su buharı, yeterince soğuk yüzey yakınında yoğuşabilir. Damlacıkların varlığı, suyun mutlaka bardağın içinden sızdığını göstermez. Bu örneği anlamak için hem yüzey sıcaklığına hem de havadaki su buharına bakarız. Çiy noktası, mevcut su buharı miktarıyla ilişkili olarak yoğuşmanın başlayabildiği sıcaklığı anlatır; bütün odalar ve bütün günler için değişmez tek bir sıcaklık değildir.

Hâl değişimlerinin yönünü ayırmak

Katı, sıvı ve gaz hâlleri arasında geçişleri hep aynı sırayı izleyen bir merdiven gibi düşünmek yanıltıcıdır. Buz doğrudan su buharına geçebilir; su buharı da sıvılaşmadan doğrudan buza dönüşebilir. Önce başlangıç hâlini, sonra ulaşılan hâli söylemek, olayın adını ve yönünü açık tutar. Tablo 4 bu geçişleri birlikte gösterir.

Enerji yönleri, belirtilen faz geçişi için suyun çevresiyle yaptığı ısı alışverişini anlatır; tüm kabın veya ortamın sıcaklık değişimi ayrıca değerlendirilir.

Tablodaki “ısı verir” ifadesini, donan suyun sıcaklığının mutlaka arttığı biçiminde okumayız. Donma sırasında çevreye enerji aktarılmasıyla suyun sıcaklığının nasıl değiştiği ayrı sorulardır. Benzer biçimde eriyen buzun ısı alması, aldığı enerjinin tamamının sıcaklık artışına dönüşmesini gerektirmez. Hâl değişimini anlamak için sıcaklıkla enerji aktarımını aynı kavram gibi kullanmamak gerekir.

Termometre aynı değeri gösterirken

Sabit basınçta, dengeye yakın biçimde eriyen saf bir maddeyi düşünelim. Katı ve sıvı birlikte bulunurken verilen ısı, katı miktarının azalmasına ve sıvı miktarının artmasına gidebilir. Bu sırada sıcaklık yaklaşık sabit kalır. Faz değişimi sırasında alınan veya verilen bu enerji, gizli ısı ya da hâl değişim ısısı kavramıyla ifade edilir. Termometrenin yükselmemesi, enerji aktarımının durduğunu göstermez.

Bu açıklamayı, erime sıcaklığındaki bir buz parçası üzerinden okuyabiliriz. Çevreden enerji gelmeye devam ederken buzun bir bölümü suya dönüşür. Gözlenen değişim, yalnız derece göstergesinde aranırsa olayın önemli bir bölümü kaçırılır; katı ve sıvı miktarlarının nasıl değiştiğine de bakılmalıdır. Aynı yaklaşım, sabit basınçta kaynayan saf suda sıvının giderek buhara dönüşmesini anlamak için kullanılır.

Sabit sıcaklık açıklamasının koşulları vardır: saf madde, belirtilen basınç ve fazlar arasında dengeye yakın bir süreç. Bu, gerçek bir kabın bütün noktalarının her anda aynı sıcaklıkta olacağı iddiası değildir. Sıcaklık ölçümünü yorumlarken hangi noktaya bakıldığı ve hangi sürecin sürdüğü belirtilmelidir. Faz değişimi bilgisi, ölçülen tek değere daha doğru bir anlam kazandırır.

Denge sınırı ile dönüşümün başlaması

Denge koşulunun bilinmesi, dönüşümün her örnekte aynı anda başlayacağı anlamına gelmez. Yeni fazın oluşması, çekirdeklenme denen başlangıç sürecine bağlı olabilir. Su, bazı koşullarda donma sıcaklığının altında bir süre sıvı kalabilir; buna aşırı soğuma denir. Denge sınırı, dönüşümün bekleme süresini tek başına anlatmaz.

Bu ayrım, faz diyagramlarını okurken de gereklidir. Bir faz diyagramı, sıcaklık ve basınca göre denge bölgelerini ve aralarındaki sınırları gösterir. Bu sınırlar, bir örneğin bütün geçmişini ya da dönüşüm hızını gösteren bir zaman çizelgesi değildir. Bir tablodan uygun denge koşulunu bulmakla, belirli bir deneyin ne kadar sürede o duruma ulaşacağını bilmek farklı işlerdir.

Üçlü nokta ve kritik nokta

Saf suyun katı, sıvı ve buhar fazlarının birlikte dengede bulunabildiği özel sıcaklık ve basınç koşuluna üçlü nokta denir. Buradaki önemli özellik, yalnız üç hâlin adının yan yana gelmesi değildir; aynı sistemde ısıl denge ve faz dengesi kurulmuş olmasıdır. Bu tanımdan hareketle, içinde buz bulunan, üstü havaya açık sıradan bir bardağı doğrudan suyun üçlü noktası örneği sayamayız.

NIST’in suyun üçlü noktasını gerçekleştiren ölçüm hücrelerine ilişkin çalışması, kimyasal saflığın ve havanın uzaklaştırılmasının neden önem taşıdığını gösterir. Laboratuvarda böyle bir dengeyi kullanmak, sadece buz ile suyu bir araya getirmekten daha ayrıntılı bir iştir. Burada günlük gözlemle hassas bir referans durumunu ayırmış oluruz; ikisini aynı adla anmak, ölçümün hangi koşullara dayandığını belirsizleştirir.

Kritik nokta ise başka bir sınırı anlatır. Sıvı–buhar denge eğrisi bu noktada sona erer; birbirinden ayırdığımız sıvı ve buhar fazlarının farkı ortadan kalkar. Dolayısıyla sıvı ile gaz arasındaki sınırın bütün sıcaklık ve basınçlarda aynı biçimde sürdüğünü düşünemeyiz. Bu özel bölgenin ayrıntılı hesabına girmeden, basit üç hâl anlatımının hangi noktada genişletilmesi gerektiğini bilmek yeterlidir.

Suyun hâlini tanımlarken artık yalnız görüntüsünü söylemekle yetinmeyiz. Moleküllerin yerleşimini ve hareketini, sıcaklıkla basıncı, enerji alışverişini ve değişimin hangi yönde ilerlediğini birlikte düşünürüz. Bir sonraki alt bölümde bu çerçeveye başka maddeleri ekleyeceğiz: Suyun içinde bir madde çözündüğünde, hâl değişiminden farklı olarak neyin değiştiğini inceleyeceğiz.

2.3 Çözücü olarak su ve çözünme

Bir bardak suya eklenen şekerin taneleri görünmez olduğunda gündelik dilde “şeker eridi” deriz. Bu gözlemin kimyadaki karşılığı ise çözünmedir. Şekerin kendi başına sıvı hâle geçmesini değil, suyla bir çözelti oluşturmasını anlatırız. Önceki alt bölümde aynı maddenin farklı hâlleri arasında ilerlemiştik; şimdi birden fazla maddenin bir araya geldiği bir sistemi ele alıyoruz. Çözünen madde kaybolmaz. Sorulması gereken, artık hangi kimyasal birimler hâlinde ve nasıl bir ortamda bulunduğudur.

Çözücü, çözünen ve çözelti

Bu bölümde suyu çözücü, suyun içinde çözünmüş olarak bulunan diğer bileşenleri çözünen olarak adlandıracağız. Bu kullanım, suyun ağırlıklı olduğu sulu çözeltiler için anlaşılır bir başlangıçtır. Çözelti ise bu bileşenlerin oluşturduğu homojen fazdır. Homojenlik, yeterince karışmış çözeltinin farklı yerlerinde aynı bileşimi bulmamızı anlatır; bütün moleküllerin birbirinin aynı olması anlamına gelmez. Saf su ile şekerli su bu nedenle aynı bileşime sahip değildir.

Suyun içinde dağılmış olmak da tek başına çözünmüş olmak demek değildir. Bir madde, ayrı küçük parçacıklar hâlinde başka bir fazın içinde bulunabilir. Kolloidal dağılım kavramı, bu tür ayrı parçacıklarla sürekli ortam arasındaki ayrımı korur. Çözeltiyi anlatırken ise çözünen bileşenin molekül veya iyon düzeyindeki durumuna bakarız. Dolayısıyla “suya karıştı” ifadesi, maddenin suda nasıl bulunduğunu belirlemek için yeterince açık değildir. Bu ayrım, ileride bir ayırma işleminin hangi büyüklükteki ve hangi biçimdeki maddeye etki ettiğini anlamamızı sağlayacak.

Tuzda iyonlar, şekerde moleküller

Sodyum klorür kristalinin yapısında pozitif yüklü sodyum iyonları ve negatif yüklü klorür iyonları bulunur. Suda çözünürken bu iyonlar kristal düzeninden ayrılarak su molekülleri arasında dağılır. Suyun kısmi negatif yük taşıyan oksijen tarafı sodyum iyonuna, kısmi pozitif yük taşıyan hidrojen tarafları ise klorür iyonuna yönelir. Burada suyun polar yapısı ile iyonların yükü arasındaki etkileşim önem kazanır.

İyonların su molekülleriyle çevrelenip etkileşmesi bu bağlamda hidratasyon olarak adlandırılır. Daha genel çözücü–çözünen etkileşimleri için solvatasyon terimi kullanılır. Bu çevrelenmeyi bir iyonun kalıcı, hareketsiz bir su kabuğuna kapatılması gibi düşünmemek gerekir; sıvıdaki moleküler komşuluklar değişebilir. Çözeltiyi de pozitif ve negatif yüklerin birbirinden tamamen kopup ayrı bölgelerde toplandığı bir ortam olarak çizmeyiz. Buradaki sodyum ve klorür iyonları, çözeltinin bütününde yük dengesi korunarak bulunur.

Sofra şekerinin temel bileşeni olan sükrozda farklı bir durum görürüz. Kristalden ayrılan birimler, sodyum ve klorür gibi zıt yüklü iyonlar değil, bütün sükroz molekülleridir. Su, bu moleküllerin polar bölgeleriyle etkileşerek onların çözelti içinde dağılmasına eşlik eder. Önceki bölümde tanıdığımız hidrojen bağı etkileşimleri de bu ilişkilerin anlaşılmasına yardımcı olur. Şeker tanesinin gözden kaybolması, sükroz molekülünün atomlarına parçalandığı anlamına gelmez.

Şekil 5, bu iki örnekte suyun içinde bulunan birimlerin neden aynı olmadığını gösteriyor. NaCl örneğinde kristalde zaten var olan iyonların ayrılmasını, sükroz örneğinde moleküllerin bütün kalmasını izliyoruz. Bu iki örneği bütün maddeler için tek kurala dönüştürmemeliyiz: Bazı moleküler maddeler suyla ayrıca tepkimeye girerek iyon oluşturabilir. Bu yüzden bir maddenin çözünmesini açıklarken hem başlangıçtaki yapısını hem de çözeltide hangi türlerin bulunduğunu belirtmek gerekir.

Suyun çözücülüğünün sınırı

Bu örnekler suyun çok sayıda madde için elverişli bir çözücü olduğunu gösterir; her maddeyi aynı miktarda çözebileceğini göstermez. İyonik maddelerin kendi aralarında da çözünürlük farkları vardır. Bir yapıda yüklü birimler bulunması, o katının suda mutlaka bol miktarda çözüneceği sonucunu vermez. Benzer biçimde, bir maddenin moleküllerden oluştuğunu bilmek de suda ne kadar çözünebileceğini tek başına söylemez. Maddenin kendi içindeki ve suyla kurduğu etkileşimlerin bütünü değerlendirilmelidir.

Çözünme sırasında yalnız su ile çözünen arasındaki yeni yakınlıkları düşünmek eksik kalır. Başlangıçta çözünen birimlerin birbirleriyle, su moleküllerinin de kendi aralarında etkileşimleri vardır; çözelti oluşurken bunların düzeni değişir. Sürecin enerji bilançosu ile maddelerin daha geniş alana dağılmasının katkısı birlikte önem taşır. Bu nedenle “çözünüyorsa mutlaka çevreye ısı verir” biçiminde bir kural kurulamaz. Isı alan çözünmeler de gerçekleşebilir. Burada ayrıntılı termodinamik hesaba girmeden, yalnız bir çekim türünü bütün sonucun nedeni saymamak yeterlidir.

Derişim, çözünürlük ve doygunluk

Bir çözeltide şu anda ne kadar madde bulunduğunu sormakla, belirli koşullarda dengede ne kadarının çözünebileceğini sormak farklıdır. İlk soru derişime, ikincisi çözünürlüğe yönelir. IUPAC, çözünürlüğü doygun çözeltinin bileşimi üzerinden tanımlar. Bu bileşim farklı niceliklerle ifade edilebilir; dolayısıyla bir çözünürlük değerini yalnız sayısıyla okumayız. Hangi maddenin, hangi çözücüde, hangi koşullarda ve hangi birimle verildiğine bakarız.

Aynı sıcaklık ve basınçta, tanımlanmış katı biçimine göre denge değerinden daha düşük çözünen derişimine sahip çözelti doymamıştır. Doygun çözelti ise o koşulların denge bileşimine ulaşmıştır. Bu iki durumu yalnız bardağın dibine bakarak her zaman ayıramayız: Doygun çözelti, içinde görünür bir katı bırakılmadan da bulunabilir. Öte yandan, henüz çözünmesini tamamlamamış bir katının varlığı da beklemeden ölçülen sıvının dengeye ulaştığını kanıtlamaz. Görüntü ile denge durumunu ayrı değerlendirmek gerekir.

Doygun çözeltiyi, çözünmemiş aynı katıyla dengede düşünürsek moleküler düzeyde hareketin durması gerekmez. Birimler katıdan sıvıya geçerken çözeltiden katıya dönüş de sürebilir; dengede bu karşılıklı süreçler makroskopik bileşimi değiştirmez. Aynı koşullar korunurken kaba daha fazla aynı katıyı koymak, çözeltideki derişimi sınırsız artırmanın yolu değildir. Eklenenin bir kısmı katı fazda kalabilir. Hangi miktarın çözeltide, hangisinin ayrı fazda bulunduğu, yalnız kaba atılan toplam kütleden anlaşılmaz.

Bu ayrım, bir su örneğini okurken kullanılan sayılara da açıklık getirir. “Şu kadar madde eklendi” bir hazırlama bilgisidir; “şu kadar madde çözünmüş durumda” ise çözeltinin bileşimine ilişkin bilgidir. İkisinin eşit olduğunu söylemek için eklenenin tamamının çözündüğünü ve başka bir yolla sistemden ayrılmadığını bilmek gerekir. Bir sonraki hesapta bu koşulu açıkça varsayacağız. Böylece çözünürlüğü ölçmüş gibi davranmadan, tanımı belli bir derişimi hesaplayabileceğiz.

Daha hızlı çözünmek, daha çok çözünebilmek

Karıştırılan bir kapta katının daha çabuk kaybolması, gözle görülür ve güçlü bir izlenim bırakır. Karıştırma, katı çevresindeki sıvıyla daha uzaktaki sıvı arasında madde aktarımını etkileyerek dengeye yaklaşmayı hızlandırabilir. Benzer biçimde, aynı kütledeki katının daha küçük parçalara ayrılması, suyun erişebildiği toplam yüzeyi artırabilir. Diğer koşullar karşılaştırılabilir olduğunda bu değişiklik çözünme hızını artırır. Ancak burada yanıtladığımız soru, belirli bir sonuca ne kadar sürede yaklaşıldığıdır.

Denge çözünürlüğü başka bir soruyu yanıtlar. Sıcaklık, basınç, katı biçimi ve çözelti bileşimi aynı tutulduğunda sırf daha uzun karıştırmak, aynı katıyı sınırsız miktarda çözmenin yolu değildir. Bununla birlikte karıştırmanın koşulları hiç değiştirmediğini de otomatik olarak kabul edemeyiz. Uzun veya güçlü karıştırma katıyı aşındırabilir; çok küçük tanecikler ve değişmiş yüzey özellikleri denge değerlendirmesini etkileyebilir. Bu nedenle “tanecik boyutu hiçbir koşulda çözünürlüğü etkilemez” demek de gereğinden fazla kesin olur. Hız ile dengeyi ayırırken, karşılaştırmanın hangi koşulları sabit tuttuğunu söylemeliyiz.

Sıcaklık değiştiğinde de yalnız hızın değiştiğini varsayamayız; doygun çözeltinin bileşimi değişebilir. Üstelik yön her madde için aynı değildir. Çözünürlüğün sıcaklık arttıkça azaldığı durumlar için ayrı bir terim bile vardır: tersine çözünürlük. Dolayısıyla bir katının sıcak suda daha hızlı kaybolduğunu görmek, bütün katıların sıcak suda daha fazla çözünebileceğini göstermez. Belirli madde için çözünürlük verisine ve o verinin ölçüm koşullarına dönmek gerekir.

Gazlar da çözünür

Suda çözünen maddeleri yalnız tuz ve şeker taneleriyle sınırlamak, suyun çevresiyle ilişkisini eksik bırakır. Oksijen gibi gazlar da suda çözünür. Buradaki çözünmüş oksijen, H₂O molekülünün yapısındaki oksijen atomu değil, su içinde bulunan O₂’dir. Bu nedenle suyun formülünde oksijen bulunması, o suyun çözünmüş oksijen miktarını söylemez. İki kullanımda aynı elementin adı geçse de ele aldığımız kimyasal türler farklıdır.

Gazlarda çözünmüş miktarı anlamak için suyun üstündeki gaz ortamını da hesaba katarız. Sabit sıcaklıkta, uygun seyreltik çözelti ve denge koşullarında, çözünmüş gazın derişimi gaz fazındaki aynı türün kısmi basıncıyla ilişkilidir. Kısmi basınç, gaz karışımının toplam basıncında o türe karşılık gelen paydır. Henry yasası bu ilişkinin temel çerçevesini verir. Burada yalnız kabın toplam basıncını söylemek yetmez; hangi gazdan söz edildiğini ve gaz karışımındaki payını da bilmek gerekir.

Bu ilişkiyi bir su örneğinin her anki durumuyla özdeşleştirmemeliyiz. Su henüz gaz ortamıyla dengeye gelmemiş olabilir. Ayrıca gaz suda kimyasal dönüşüme uğruyorsa, değişmeden çözünmüş gaz türünün derişimi ile o gazın çözünmesi ve dönüşümüyle ilişkili çözünmüş türlerin toplamı farklı niceliklerdir. Denge koşulu ve tür ayrımı gözden kaçtığında, doğru bir bağıntı yanlış bir soruya uygulanmış olur.

Oksijen örneğinde, karşılaştırılabilir basınç ve su bileşiminde soğuk suyun daha fazla oksijen çözebilmesi bilinen bir eğilimdir. Buna karşılık gerçek bir akarsu veya göldeki ölçüm, gaz alışverişinden ve oksijen üreten ya da tüketen biyolojik süreçlerden de etkilenir. “Daha fazla çözebilir” ile “şu anda daha fazla içerir” bu yüzden aynı cümle değildir. İlki koşullara bağlı kapasiteyi, ikincisi ölçülen durumu anlatır. Bu ayrım, çözünürlüğü gerçek bir su ortamına taşırken kullanacağımız temel dikkatlerden biridir.

Bir derişim hesabını doğru okumak

Derişimi sayıyla ifade ederken önce hangi niceliği hesapladığımızı seçeriz. Kütle derişimi, seçilmiş bileşenin kütlesinin karışımın hacmine oranıdır. Bir sulu çözeltide bu payda, hazırlama bittikten sonraki çözelti hacmidir. Başlangıçta kullanılan su miktarıyla son hacmi düşünmeden aynı saymak, hesapta hangi büyüklüğün bulunduğunu belirsizleştirir. Aşağıdaki örnekte çözünmüş madde kütlesi ve son hacim baştan açık olarak verildiği için bu sorun oluşmaz.

Örnek hesap 1 — Sükrozun kütle derişimi

Öğretim amacıyla seçilmiş varsayımsal sayılar; gerçek ölçüm veya çözünürlük verisi değildir.

Çözünen sükroz kütlesi: 0,200 g.

Çözünme ve hazırlama tamamlandıktan sonraki çözelti hacmi: 0,500 L.

Sükrozun tamamı çözünmüş; madde kaybı, buharlaşma ve kimyasal dönüşüm olmamıştır. Verilen hacim, başlangıçtaki suyun değil son çözeltinin hacmidir.

Önce kütle birimini dönüştürürüz:

$\$text{0,200 g × 1000 mg/g = 200 mg}

Sonra çözünen kütleyi son çözelti hacmine böleriz:

$\$text{Kütle derişimi = }\frac{\text{200 mg}}{\text{0,500 L}}\text{ = 400 mg/L}

Hazırlanan çözeltinin sükroz derişimi 400 mg/L, yarım litredeki toplam sükroz kütlesi ise 200 mg’dır. Birincisi hacim başına miktarı, ikincisi çözeltideki toplam miktarı belirtir.

Hesap, sükrozun çözünürlük sınırını ölçmez ve çözeltinin doymuş olduğunu göstermez. Başka çözünmüş bileşenler varsa bunların toplamını da vermez. Bir içilebilirlik kararı için ölçüt değildir.

Tanım ve birimler:. Sayılar: açıkça varsayımsal öğretim seçimi.

Birim yazımı bu ayrımı korur: milli öneki gramın binde birini, mg/L ise bir litre çözelti başına miligramı belirtir. Raporda bileşenin adı, nicelik, sayı ve birim birlikte okunmalıdır.

Çözünmeyi değerlendirirken maddenin kimyasal biçimini, çözünmüş miktarını, koşulları ve denge durumunu birlikte izleriz. Sıradaki alt bölüm, sıcaklığın, yoğunluğun ve yüzey davranışlarının bu çerçevedeki yerini ele alıyor.

2.4 Sıcaklık yoğunluk ve yüzey davranışları

Bir su örneğinin bileşimini bilmek, o örneğin nasıl davranacağını anlatmak için tek başına yeterli değildir. Aynı suyu soğuttuğumuzda birim hacimdeki kütlesi, dar bir geçitten akmaya karşı gösterdiği direnç ve çevresindeki yüzeylerle kurduğu ilişki değişebilir. Bu değişikliklerin her biri başka bir nicelikle tanımlanır. Günlük dilde kullandığımız “ağır”, “koyu”, “akışkan” veya “yapışkan” sözleri ise bazen bunları birbirine karıştırır. Suyun bir yerde toplanmasıyla yavaş akmasını aynı özellik sanabiliriz. Önce ölçtüğümüz özelliğe doğru adı verelim; ardından sıcaklığın, basıncın, bileşimin ve temas edilen malzemenin hangi soruya karşılık geldiğini ayıralım. Böylece bir gözlemi açıklamak için bütün su özelliklerini aynı anda değiştirmek zorunda kalmayız.

Yoğunluğu bir koşulla birlikte söylemek

Yoğunluk, bir örneğin kütlesinin hacmine oranıdır. Aynı hacimdeki iki örnekten kütlesi daha büyük olanın yoğunluğu daha büyüktür. Buna karşılık aynı kütledeki iki örnekten daha fazla hacim kaplayanın yoğunluğu daha küçüktür. Bu iki ifade aynı tanımın farklı yönleridir. Suyun yoğunluğunu yaklaşık bir gram/mililitre diye anmak gündelik hesaplarda elverişli olabilir; hassas bir ölçümde sıcaklık ve bileşim bilgisi gerekir. Bir litrelik kabın içindeki suyun kütlesini ararken kullandığımız yaklaşımın, bütün sıcaklıklarda değişmez bir eşitlik olmadığını bilmeliyiz. Bir litre, hacmi; bir kilogram, kütleyi bildirir. İki birimin suyla sık sık yan yana gelmesi, birbirlerinin yerine geçebilecekleri anlamına gelmez. Örneğin karşılaştırmanın amacı bir deponun taşıdığı yükü belirlemekse, hacim bilgisinin kütleye nasıl çevrildiği önem kazanır. Bir ölçüm kabını doldurmakla terazide belirli kütle ayırmak, ancak seçilmiş koşullarda aynı sonuca yaklaştırılabilir. Kullanılan yaklaşımın hassasiyeti, yanıt aranan sorunun hassasiyetiyle birlikte değerlendirilir.

Kapalı bir örneği, madde kaybı veya katılması olmadan ısıttığımızı düşünelim. Kütlesi aynı kalırken hacmi değişiyorsa yoğunluğunun da değişmesi gerekir. Burada suyun içinden bir şey çıkarılmış olması gerekmez; aynı miktar madde farklı hacim kaplamaktadır. Tersinden bakarsak, her defasında belirli bir hacmi doldurarak aldığımız örneklerin kütleleri, sıcaklıkları farklıysa tam aynı olmayabilir. Bu, hacme göre yapılan bir dozlama ile kütleye göre yapılan dozlamanın neden ayrı bilgiler olduğunu gösterir. Ölçüm kabının da kendi sıcaklık davranışı vardır; hassas işlerde yalnız sıvının sıcaklığını anmak yetmeyebilir. Günlük yaklaşımın işe yaradığı ölçek ile küçük farkların önemli hâle geldiği ölçek, yapılan işin gereğine göre ayrılır.

Yoğunluk için yalnız sıcaklığı sabitlemek de her karşılaştırmayı eşitlemez. Çözünmüş maddeler örneğin kütlesine ve hacmine katkıda bulunur; basınç da sıvının bulunduğu durumu etkiler. Bu nedenle saf su için hazırlanmış bir özellik değerini, tuzlu suya veya bileşimi bilinmeyen bir çözeltiye doğrudan taşımayız. IAPWS’nin su özelliklerine ilişkin bağıntıları, tanımlanmış saf madde ve geçerlilik koşulları için kurulmuştur. Böyle bir bağıntının varlığı bize suyun bütün karışımlarını tek değerle temsil etme hakkı vermez. Öte yandan yoğunluktaki küçük bir farkın tek başına belirli bir kirleticiyi gösterdiğini de söyleyemeyiz. Bileşimi bilinmeyen bir örnek için aynı gözlemin birden fazla açıklaması bulunabilir; hangi açıklamanın geçerli olduğunu başka bilgilerle ayırmak gerekir.

Dört derece çevresindeki yön değişimi

Sıvı suyun yoğunluğu, olağan atmosfer basıncına yakın koşullarda ve saf su için yaklaşık 4 °C çevresinde en yüksek değerine ulaşır. Daha sıcak su bu aralığa doğru soğurken hacmi küçülür; bu aralığın altına doğru soğuma sürdüğünde ise hacim yeniden büyümeye başlar. Bu yüzden “soğuyan su her zaman ağırlaşır” sözü eksiktir. Eğer ağırlaşmakla yoğunluğun artmasını kastediyorsak, sıcaklığın hangi aralığında bulunduğumuzu söylemeliyiz. Örneğin aynı basınç ve bileşim korunurken, oda sıcaklığına yakın suyun soğumasıyla donma noktasına yakın suyun biraz daha soğuması aynı yönde hacim değişimi vermeyebilir. Sıcaklık yönü aynı olsa da başlangıç koşulu farklıdır.

Bu yön değişiminin moleküler karşılığı, soğurken birbirine rakip iki eğilimin bulunmasıdır. Isıl hareketin azalmasıyla ilişkili büzülme eğilimine karşı, hidrojen bağı ilişkilerinin daha açık yerel düzenleri desteklemesi önem kazanır. Önceden tanıdığımız moleküler komşuluklar böylece ölçülebilen bir hacim davranışına bağlanır. Ancak sıvıyı, içinde değişmez küçük buz parçaları bulunan bir karışım olarak çizmemize gerek yoktur; açıklanan şey hareketli sıvı yapısının ortalama davranışıdır. Yaklaşık 4 °C değeri de suyun koşulsuz bir kimlik numarası değildir. Başka basınçlar ve çözünmüş maddeler söz konusu olduğunda, aynı sıcaklığı doğrudan kullanmak yerine o koşullara uygun verilere dönmek gerekir.

Gündelik koşullardaki buzun sıvı sudan daha az yoğun olması, aynı su kütlesinin donduğunda daha büyük hacim kaplamasıyla bağlantılıdır. Suyun üzerinde yüzen buz bu ilişkinin görünür örneğidir. Bir kabın içindeki su donarken ne olacağını düşünmek içinse yalnız bu bilgiyi bilmek yetmez: Kabın ne kadar dolu olduğu, boşluk bulunup bulunmadığı, suyun hareket edebildiği yollar ve kabın biçimi de önem taşır. Hacim artışından hemen her durumda aynı hasar sonucunu çıkarmak doğru olmaz. Buna karşılık kapalı bir düzende hacim değişiminin karşılanıp karşılanamadığını sormak anlamlıdır. Böylece madde özelliği ile o maddenin yerleştirildiği düzenin davranışını birbirinden ayırmış oluruz.

Akışa karşı direnç: viskozite

Yoğunluk, suyun ne kadar yer kapladığıyla kütlesini ilişkilendirir. Viskozite ise komşu sıvı bölgelerinin birbirlerine göre hareketi sırasında ortaya çıkan iç direnci anlatır. Bir kanaldan geçen suyun her noktası aynı hızda ilerlemek zorunda değildir; farklı hızdaki bölgeler arasında momentum aktarılır. Viskozite bu davranışı tanımlayan özelliktir. İki sıvının yoğunlukları birbirine yakınken akışa karşı dirençleri çok farklı olabilir. Bu nedenle “daha yoğun” sözcüğünü “daha zor akıyor” yerine kullanmak ölçüm bakımından yanıltıcıdır. Bir pompanın taşıdığı kütleyi hesaplarken yoğunluğa, belirli koşullarda akışı sürdürebilmek için gereken basınç farkını değerlendirirken viskozitenin de yer aldığı akış ilişkilerine bakarız. Aynı işlemde ikisine ihtiyaç duyulması, aynı şeyi ölçtükleri anlamına gelmez.

İçme suyu işlemlerinde karşılaştığımız sıradan sıvı sıcaklıkları aralığında, su soğudukça viskozitesi artar. Aynı membran ve aynı akış direnci için uygulanan basınç farkı sabit tutulduğunda, daha soğuk suyun geçişi azalabilir. Burada suyun donması gerekmez; sıvı hâl korunurken ölçülebilir bir değişiklik olur. Bu ilişkiyi bütün sıcaklık ve basınç koşullarına sınırsızca uzatmamak gerekir. IAPWS viskoziteyi tanımlarken sıcaklığın yanında yoğunluğu ve geçerlilik bölgesini de verir. Günlük uygulamadaki yararlı eğilim ile suyun bütün akışkan hâllerini kapsayan bilimsel tanım farklı genişliktedir. İlki pratik bir karşılaştırmaya yardım eder; ikincisi bu karşılaştırmanın nerede kullanılabileceğini sınırlar.

Aynı dar geçitten iki farklı zamanda daha az su geçtiğini gözlediğimizi varsayalım. Bu gözlem tek başına geçidin tıkandığını göstermez. Suyun sıcaklığı düşmüş, uygulanan basınç farkı azalmış veya gerçekten ek bir direnç oluşmuş olabilir. Bunların her biri ölçülen akışı değiştirebilir. Açıklamaları ayırmak için akışın yanında sıcaklık ve basıncı da kaydetmek gerekir. Böyle bir karşılaştırmanın gücü, çok sayıda sayı toplamasından değil, aynı sonuca yol açabilen etkileri birbirinden ayırabilmesinden gelir. Örneğin sıcaklık dikkate alındıktan sonra devam eden bir akış azalması, ilk gözlemden daha farklı bir araştırma sorusu doğurur. Hâlâ bir neden kanıtlanmış değildir; fakat hangi değişkenin açıklama için yeterli olmadığı artık daha açık hâle gelmiştir.

Suyun viskozitesi ile düzenekten geçen toplam su miktarı arasında da bir ölçek farkı vardır. Viskozite akışkanın belirtilen koşullardaki özelliğidir; debi, belirli zamanda belirli kesitten geçen hacmi bildirir. Membranlarda ayrıca akıdan söz edilir: Belirli zamanda, birim membran alanından geçen hacim izlenir. Aynı akışkan özelliği korunurken geçiş alanı büyütülürse toplam üretim değişebilir. Bu yüzden yalnız “saatte şu kadar su geçiyor” bilgisiyle iki malzemenin özelliğini karşılaştırmak eksik kalır. Alanı, basınç farkını ve işletme koşullarını bilmek gerekir. Bu ayrım ileride kapasite ifadelerini okurken de işe yarayacak; bir sistemin toplam üretimiyle malzemenin birim alanındaki davranışını aynı rakamda aramayacağız. Bu ayrım birimlerde de görünür: Debi için litre/saat gibi bir ifade kullanılırken akıda membran alanı da paydaya girer. Aynı debiyi daha küçük alanda sağlayan düzen, birim alanda daha yüksek akıyla çalışıyor olabilir. Alan bilgisi yazılmadığında bu fark gözden kaybolur; iki üretim sayısını karşılaştırmanın hangi düzene ilişkin olduğu belirsizleşir.

Yeni bir yüzey oluşturmak

Suyun bir hava kabarcığının çevresinde, bir damlanın dışında veya ince bir filmde oluşturduğu sınır, sıvının içinden farklı bir ortamdır. Yüzey gerilimi, bu sınırın alanını artırmak için gereken işle ilişkilidir. IUPAC’ın tanımı, yüzey alanındaki artış başına yapılması gereken işi esas alır. İki faz arasındaki sınır için arayüzey gerilimi sözü de kullanılır. Bu tanımın günlük karşılığı, belirli hacimdeki suyu daha çok yüzey oluşturacak biçimde dağıtmanın bir enerji gerektirmesidir. Tek büyük damlayı çok sayıda küçük damlaya ayırdığımızda toplam yüzey büyür. Damlaların daha küçük olması, su miktarının azaldığı anlamına gelmez; değişen, aynı miktarın çevresiyle temas ettiği alanın büyüklüğüdür. Bu geometrik ilişki, suyun hava ile temasını artırmak isteyen bir işlemin neden ince filmler veya küçük damlalar oluşturabileceğini düşünmemize yardım eder. Ancak daha çok yüzey üretmek için verilen enerji ile bu yüzey sayesinde gerçekleşen madde aktarımı ayrı değerlendirilir. Alanı artırmak, aktarımın tek belirleyicisi değildir.

Serbest bir damlanın biçimini düşünürken yüzey alanını küçültme eğilimi açıklayıcıdır. Yeryüzünde gözlediğimiz gerçek biçime ise yerçekimi, damlanın büyüklüğü ve varsa değdiği katı yüzey de katılır. Bu nedenle bütün damlaları kusursuz küre olarak çizmek zorunda değiliz. Bir masaya yayılan damla, havada serbestçe bulunan damlayla aynı sınır koşullarına sahip değildir. Yüzey gerilimi anlatılırken kullanılan “su zarla kaplıdır” benzetmesini de gerçek bir kabuk sanmamalıyız. Su ile hava arasında ayrı bir ambalaj malzemesi bulunmaz. Yüzeyin biçimini değiştirmek için gereken etkiyi, görünmeyen bir zar ekleyerek açıklamak yerine, sıvının ara yüzündeki davranışı olarak ele almak daha doğru bir temel kurar.

Temas edilen yüzeyin payı

Kohezyon, suyun kendi içindeki moleküller arası çekimi; adezyon, su ile temas ettiği başka malzeme arasındaki çekimi adlandırmak için kullanılır. Islanmayı anlatırken bu iki ad yararlıdır, ancak bir yüzeyin davranışını yalnız “su yapışıyor” cümlesine sıkıştırmak yeterli olmaz. Su, katı ve çevredeki gaz birlikte bir temas düzeni oluşturur. Bir damlanın katı üzerinde ne kadar yayıldığı bu düzenin görünür sonucudur. Şekil 6 içinde aynı sıvının iki farklı ideal yüzeyde farklı damla biçimleri oluşturması bu nedenle yan yana çizilmiştir. Çizimdeki farkı suyun miktarına bağlamayız; yaklaşık eşit hacimleri karşılaştırırken yüzeyle kurulan ilişkinin rolünü ayırırız. Böylece damlanın kendisi kadar nereye bırakıldığını da gözlemin parçası yaparız.

Temas açısı, sıvının katı yüzeye değdiği çizginin yakınındaki biçimini anlatmanın yollarından biridir. Buradaki şemada açı, katı yüzey ile sıvı–gaz ara yüzünün temas noktasındaki teğeti arasında, sıvının içinden ölçülür. Aynı sıvı için daha yayvan ve daha kabarık iki damla karşılaştırması, farklı ıslanma davranışlarını anlaşılır kılar. Yine de herhangi bir fotoğraftan, damlanın hacmini ve yüzeyi bilmeden kesin bir malzeme değeri çıkarmayız. Açı, uygun biçimde tanımlanmış bir ölçümün parçasıdır. Bu ayrıntı özellikle bir malzemenin “su sever” ya da “su itici” diye tanıtıldığı durumlarda önem kazanır: Bu adlandırmalar, bütün sular ve bütün kullanım koşulları için tek başına performans sonucu vermez. Önce sözcüğün hangi yüzey–sıvı ilişkisini anlattığını belirlemek gerekir. Temas çizgisi ilerlerken gözlenen açıyla geri çekilirken gözlenen açı farklı olabilir; IUPAC bu durumlar için ilerleyen, gerileyen ve denge temas açılarını ayırır. Dolayısıyla açının yanında ölçümün hangi durumu izlediğini söylemek gerekir. Damla görüntüsünü sabit bir malzeme etiketi gibi okumak yerine, ölçülen durumu tanımlamak karşılaştırmayı daha açık kılar.

Dar açıklıklarda yükselen su

Ucu suya değen dar bir tüpün içinde, suyun haznedeki serbest yüzeyin üstüne yükselmesi kapilaritenin tanıdık bir örneğidir. Burada yalnız yerçekimini düşünmek, yükselmeyi açıklamaya yetmez; yüzeyle etkileşim ve menisküsün biçimi de değerlendirmeye girer. Aynı sıvı, aynı sıcaklık ve karşılaştırılabilir ıslanma koşullarında daha dar bir tüpteki denge yükselmesi daha büyük olabilir. Bu, “dar olan her yerden her sıvı mutlaka yukarı çıkar” kuralı değildir. Önce sıvının o yüzeyi nasıl ıslattığı bilinmelidir. Şekil 6 içindeki ikinci panel, bu koşulları aynı tutan ideal bir karşılaştırmadır. Çizimde iki ayrı su miktarını veya iki farklı pompayı değil, açıklık farkının aynı yüzey ilişkisi altında doğurduğu sonucu izleriz.

Tüpteki yükselme sonsuza kadar sürmez. Durağan dengeye ulaşıldığında yüzey etkisi ile yükselen su sütununun ağırlığının pay aldığı bir denge vardır. Bu nedenle bir yerde suyun yükseldiğini görmek, orada kesintisiz su üretildiğini veya sınırsız bir pompalama gücü bulunduğunu göstermez. Yükselmenin ulaştığı düzeyle o düzeye ne kadar zamanda varıldığı da ayrı sorulardır. Bir kâğıdın ıslanarak renginin koyulaşması ya da gözenekli bir malzemenin içinde nemin ilerlemesi, bu ayrımı düşünmek için elverişli gözlemlerdir. Gerçek gözenekler, çizimdeki düzgün tüpler gibi tek boyutlu ve aynı açıklıkta değildir. Şemanın görevi her gözenekli malzemenin davranışını hesaplamak değil, dar bir boşlukta yüzeylerin neden daha görünür bir rol oynadığını açıklamaktır. Aynı düşünce yatay bir gözenekli şeridin ıslanmasında da kullanılır: Suyun ilerlemesini açıklamak için mutlaka yukarı yön seçmek gerekmez. Yukarı yükselen sütun örneği, yerçekiminin dengeyi görünür biçimde sınırladığı özel bir düzendir. Kapilarite kavramı, yalnız yüksekliği değil gözenekler içindeki yüzey ilişkisini anlamaya yarar.

Yüzey özelliğini ölçümle karşılaştırmak

Islanmayı ve dar açıklıklardaki yükselmeyi aynı çizimde izledik; yüzeyin rolünü şimdi ölçülebilir bir özellikle karşılaştıralım. Yüzey gerilimi için de tek ve değişmez bir “su değeri” yoktur. Şekil 7, saf sıvı su ile saf su buharının dengede bulunduğu koşullarda sıcaklığın artışıyla önerilen yüzey gerilimi değerlerinin nasıl azaldığını gösterir. IAPWS tablosunda 20 °C için 72,74 mN/m, 80 °C için 62,68 mN/m verilir. Bunlar iki rastgele su örneğinin ölçümü değildir; kaynağı ve koşulu tanımlanmış referans değerlerdir. Üstelik bu karşılaştırmada noktalar doygunluk eğrisi üzerindedir; hepsinin basıncı aynı değildir. Grafiği okurken yatay eksen kadar bu koşul da önem taşır. Noktaların yanındaki belirsizlik çubukları, sayıları koşulsuz kesinlikte okumamamız gerektiğini görünür kılar.

Bir damlanın yayılmasından yola çıkarak örneğin kimyasal saflığına ilişkin kesin hüküm vermek bu yüzden güçtür. Önce sıvının sıcaklığı, temas ettiği yüzey ve gözlemin nasıl yapıldığı bilinmelidir. Dahası, saf su için verilen bir referans özellik, içinde farklı maddeler bulunan bütün suların aynı davranacağı anlamına gelmez. Gözle görülen damla biçimi bir sonuçtur; onu oluşturan koşulların tamamını tek başına açıklamaz. Örneğin aynı şişedeki suyu iki farklı yüzeye bıraktığımızda farklı yayılma görmemiz, şişedeki suyun iki farklı maddeye dönüştüğünü göstermez. Böyle bir karşılaştırmada değişen yüzeyi incelemek daha anlamlıdır. Soru, “Bu damla bize her şeyi söyler mi?” olmaktan çıkıp “Bu karşılaştırmada hangi koşul değişti?” biçimini alır.

Buraya kadar ele aldığımız özellikler, aynı gözlemi farklı yönlerden aydınlatır. Bir sıvının birim hacimdeki kütlesi, dar bir geçitten akışı, yeni yüzey oluşturması ve bir katıyı ıslatması birbirlerinin yerine kullanılamaz. Tablo 5 bu ayrımı, her özelliğin yanında sorulması gereken koşulla birlikte gösterir. Tabloyu bir su örneğinin temizliğini belirleyen kısa bir test listesi gibi okumamak gerekir. Örneğin suyun bir yüzeyi hızla ıslatması, içerdiği belirli bir çözünmüş maddenin uzaklaştığını göstermez; gözeneklere girmiş olmak, arıtılmış olmakla eş anlamlı değildir. Özelliği doğru adlandırmak, ardından uygulanacak işlem için doğru soruyu seçmemizi sağlar. Bir sonraki adımda bu özellikleri suyun içindeki farklı maddeleri ayırma veya dönüştürme düşüncesiyle birlikte ele alacağız.

Özgün kavramsal karşılaştırma. Bunlar farklı nicelik ve davranışlardır; hiçbiri tek başına içilebilirlik ölçütü değildir.

2.5 Temel özelliklerin arıtmaya etkisi

Arıtmanın hangi işe yarayacağını anlamak için önce suyun içindeki hedefin nasıl bulunduğunu sormak gerekir. Askıda duran bir parçacık, çözünmüş bir iyon ve sudan gaz fazına geçebilen bir madde aynı biçimde davranmaz. Bu yüzden tek bir “süzme” sözcüğüyle bütün ayırma işlemlerini açıklamak güçleşir. Bir işlem parçacığı hareketinden yararlanarak uzaklaştırır; bir başkası yüzeye tutunmasını sağlar; başka bir işlem seçici bir engelden geçişini sınırlar. Bazı işlemler ise maddeyi fiziksel olarak başka bir yerde toplamak yerine kimyasal veya biyolojik olarak dönüştürür. Suya ilişkin temel özellikleri öğrenmek, bu farklı işlerin hangi gerekçeyle seçildiğini anlamamızı sağlar. Böylece bir arıtma basamağının adından önce, gerçekleştirmesi beklenen değişimi tarif edebiliriz.

Önce hedefin suda bulunma biçimi

Üç ayrı su örneği düşündüğümüzü varsayalım: Birinde gözle seçilebilen mineral parçacıkları, diğerinde çözünmüş bir tuz, üçüncüsünde uçucu bir bileşik bulunsun. Bu örnekler birer ölçüm sonucu değildir; farklı mekanizmaları karşılaştırmak için kurulmuş düşünce örnekleridir. Birinci örnekte ayrı katı parçacıkların hareketini ve bir yüzeyde tutulmasını araştırabiliriz. İkincisinde parçacık gibi davranmayan çözünmüş iyonlar için başka bir seçicilik gerekir. Üçüncüsünde ise maddenin gaz fazına geçiş koşulları önem kazanabilir. Aynı hacimde su bulunması, aynı işlemle aynı değişimin elde edileceğini göstermez. Hedefin biçimini belirtmeden sorulan “Bu filtre işe yarar mı?” sorusu bu nedenle eksik kalır; hangi maddeye, hangi başlangıç durumunda etki etmesi beklendiği bilinmelidir.

Yerçekimiyle ayırmak ve parçacığı hazırlamak

Çöktürmede yararlanılan özelliklerden biri, ayrı parçacık ile çevresindeki su arasındaki yoğunluk farkıdır. Uygun koşullarda parçacık aşağı doğru hareket ederken üstte daha az parçacık içeren bir su bölümü elde edilebilir. Fakat parçacığın büyüklüğü, biçimi, bir araya gelme durumu ve suyun hareketi bu sonuca eşlik eder. Küçük bir parçacığın varlığını bilmek, belirli sürede mutlaka kabın dibine ineceğini söylemez. İşlem, yalnız bekleme sözcüğüyle tarif edildiğinde bu ayrıntılar kaybolur. Özellikle akışın sürdüğü bir düzende, parçacığa ayrılmak için tanınan hareket yolu ve süre de önemlidir. Bu yüzden aynı suyu hareketsiz bir örnek kabında gözlemekle bir arıtma havuzunun sürekli işletmesini değerlendirmek aynı ölçek değildir.

Bazı küçük parçacıkların ayrılmasını kolaylaştırmak için önce birbirleriyle bir araya gelmeleri sağlanır. Koagülasyon ve ardından flok oluşumu, suyun içindeki parçacıkları daha uygun bir ayırma basamağına hazırlayan süreçlerdir. Oluşan kümeler daha sonra çöktürme, yüzdürme veya filtrasyonla ayrılabilir. Burada kimyasal ekleme tek başına işin tamamlandığı anlamına gelmez; oluşturulan yapının sudan uzaklaştırılması da gerekir. Uygun kimyasalın ve koşulun seçimi ham suya bağlıdır. Bir kaynakta işe yarayan ekleme miktarını, bileşimi farklı başka bir su için değişmez reçete sayamayız. Bu aşamada önemli olan doz ezberlemek değil, bir basamağın sonraki ayırma işlemi için hedefin fiziksel davranışını değiştirebildiğini görmektir. Karıştırmanın görevi de bu amaca bağlıdır. Parçacıkların karşılaşmasına yardım edecek hareket gerekir; oluşmuş flokları parçalayacak kadar güçlü karıştırma ise sonraki ayırmayı zorlaştırabilir. Dolayısıyla işlem, “ne kadar çok karıştırılırsa o kadar iyi” düşüncesiyle yönetilmez. Karşılaşma ve oluşan yapıyı koruma birlikte düşünülür.

Çöktürmenin yanında yüzdürme bulunması, ayırmanın yalnız “ağır olanı aşağı indirmek” olmadığını gösterir. Çözünmüş hava flotasyonunda küçük hava kabarcıkları floklarla birleşerek onların su yüzeyine taşınmasına yardım eder; biriken tabaka buradan alınır. İşlemin yönü değişmiştir, fakat amaç yine hedef maddeyi izlenebilir bir başka bölümde toplamaktır. Düşünce örneğimizde suya karışmış her şeyi tek bir katı türü gibi ele alsaydık, bu seçeneği anlamakta zorlanırdık. Parçacığın neyle birlikte hareket ettiği önem kazanınca farklı bir ayırma yolu görünür olur. Böylece temel özellik, tek başına bir cihaz adı üretmez; hedef, ortam ve işlem birlikte değerlendirilerek kullanılabilir bir ayrılma davranışına dönüştürülür.

Filtrenin içinde yalnız delik bulunmaz

Filtrasyonda suyun bir malzeme içinden geçmesi, hedef parçacıkların ise belirli ölçüde tutulması beklenir. Gündelik bir süzgeç benzetmesi başlangıç için yararlıdır; ancak kum gibi taneli yatakları tek bir düzgün delik dizisi olarak düşünmek yetersizdir. Su, tanelerin arasındaki yolları izlerken parçacıklar yatağın farklı bölgelerinde tutulabilir. Bu nedenle filtrenin yalnız üst yüzünü değil, akışın karşılaştığı bütün yatağı düşünmek gerekir. Önceden oluşturulmuş flokların filtreye gelmesiyle, ham sudaki farklı parçacıkların doğrudan gelmesi aynı yükü oluşturmaz. Bir önceki basamakta yapılan işlem, filtrenin karşılaşacağı hedefin biçimini değiştirmiştir. Arıtma sırasını okurken basamakların adlarını arka arkaya saymak yerine birbirlerine ne hazırladıklarına bakmak bu yüzden açıklayıcıdır.

Filtrede tutulmuş madde yok olmaz; çalışma ilerledikçe malzemenin içinde birikir. Birçok taneli filtrede geri yıkama, biriken maddelerin ayrı bir su akımıyla dışarı alınmasını sağlar. Böylece temizleme işlemi sırasında da yönetilmesi gereken bir akım oluşur. Bu bilgi, filtreye giren suyla çıkan suyu karşılaştırmanın neden tek başına bütün madde hareketini göstermediğini açıklar. Çıkıştaki azalma, belirli bir sürede yatağın içinde artışa karşılık gelebilir; sonra bu birikim yıkama suyuna geçebilir. Filtrenin iş görmesiyle filtrenin bakıma ihtiyaç duyması bu bakımdan bağlantılıdır. Bakımın ne zaman ve nasıl yapılacağı ise genel mekanizma bilgisinden çıkarılamaz; malzeme, yük ve işletme düzenine göre belirlenmelidir.

Yavaş kum filtrasyonu, aynı filtre sözcüğünün altında başka katkılar bulunabileceğini gösterir. Bu işlemde yüzeye yakın gelişen biyolojik tabakanın etkisi önemlidir. Dolayısıyla yalnız tanecikler arasındaki boşluğun büyüklüğüne bakarak bütün arıtma davranışını açıklayamayız. Bir malzemenin varlığı ile o malzemenin uygun işletme koşullarında oluşturduğu işlev farklı şeylerdir. Benzer görünüşte iki yatağın aynı performansı vereceğini varsaymak, bu ayrımı atlamak olur. Buradan bütün filtrelerin biyolojik işlediği sonucunu da çıkarmayız. İşlemin adının altında hangi mekanizmanın baskın olduğunu ayrı ayrı tanımlamak gerekir. Aynı temel soru geçerlidir: Hedef parçacık tutuluyor mu, bir yüzeyle etkileşiyor mu, yoksa süreçte bir dönüşüme mi uğruyor?

Çözünmüş maddeler için seçicilik

Çözünmüş bir bileşen söz konusu olduğunda, görünür parçacıkları ayırabilen bir filtreye bakarak aynı maddenin de uzaklaştırılacağını söyleyemeyiz. Membran işlemleri bu nedenle kendi aralarında ayrılır. Mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon daha çok askıda veya kolloidal biçimdeki hedeflere yönelirken, nanofiltrasyon ve ters osmoz belirli çözünmüş bileşenlerin ayrılmasında da kullanılır. Bu adlar yine bütün maddeler için tek bir giderim yüzdesi vermez. Hangi membranın, hangi bileşene, hangi koşullarda ne ölçüde etki ettiği ayrıca gösterilmelidir. Özellikle ters osmozu, yalnız çok küçük delikleri olan sıradan bir elek gibi hayal etmek yerine seçici bir geçiş ortamı olarak düşünmek daha sağlamdır. Su ile diğer türlerin geçişi arasındaki fark, işlemin ayırma işlevini oluşturur.

Basınçla çalışan bir membranda suyun geçişini sürdürmek için bir itici etki gerekir. Sistemin iki tarafındaki basınç ilişkisi bunun bir parçasıdır; çözünmüş madde miktarı ve membranın özellikleri de önem taşır. Su soğuduğunda viskozitenin artması, aynı koşullarda üretimin değişmesine yol açabilir. Buna karşılık yüzeyde birikim oluşması akışa ek direnç getirir. Bu iki etkiden ilki suyun durumuyla, ikincisi işletme sırasında gelişen bir tabakayla ilgilidir. Aynı akış azalması gözlemi, iki durumda farklı açıklanır. Sıcaklık etkisi hesaba katılmadan yapılan bir karşılaştırma, olağan bir koşul değişimini arıza gibi gösterebilir; yalnız sıcaklığa bağlamak ise gerçek bir birikimin etkisini gizleyebilir. İşlemi değerlendirmek için koşulları birlikte kaydetmenin değeri burada doğrudan görünür.

Aktif karbonun katkısı başka bir ilkeye dayanır: Uygun bileşenler, karbonun erişilebilir yüzeylerine adsorplanabilir. Adsorpsiyon, maddenin bir ara yüzde birikmesini anlatır; yalnız kaba bir parçacığı delikten geçirmemekle aynı olay değildir. Bu nedenle çözünmüş bazı organik maddeler için anlamlı olabilir. Fakat “aktif karbon” adı, bütün çözünmüş maddelerin aynı ölçüde tutulacağı anlamına gelmez. Karbonun yapısı, hedef bileşen ve suda bulunan diğer maddeler sonucu etkiler. Kapasite sınırlı olduğundan, başlangıçtaki etkiyi süresiz devam eden bir özellik gibi değerlendiremeyiz. Kaynak su değiştiğinde aynı malzemenin kullanım süresinin de aynı kalacağını varsaymak güçtür. Buradaki temel soru, yalnız suyun karbonla karşılaşıp karşılaşmadığı değil, hedefin uygun yüzeylere ne ölçüde tutunabildiğidir. Suda aynı yüzeylere tutunabilen başka bileşenler bulunması, hedef madde için kullanılabilir kapasiteyi etkileyebilir. Bu nedenle laboratuvarda tek bir bileşenle elde edilmiş kapasiteyi, çok bileşenli gerçek suyun bütün koşullarına taşımak ayrıca gerekçe ister. Suyun karbon yatağında kalış süresi de yüzeyle karşılaşmanın ve aktarımın değerlendirilmesine katılır.

İyon değişimi ise çözünmüş iyonların yükünü ve bir malzemeyle kurdukları seçici ilişkiyi kullanır. Örneğin yaygın bir katyon değişimli yumuşatma düzeninde, sudaki kalsiyum ve magnezyum iyonları yerine reçineden sodyum iyonları suya geçebilir. Bu örnek, hedef iyonların azaltılması ile sudaki bütün çözünmüş maddelerin ortadan kaldırılmasının farklı işler olduğunu açıkça gösterir. İşlemde bir değiş tokuş vardır. Reçinenin kapasitesi dolduğunda yenilenmesi veya değiştirilmesi gerekir; yenileme de ayrı bir atık akımı oluşturabilir. Yumuşatma adıyla anılan bu işlevi, bütün mikroorganizmaları ve bütün kimyasal bileşenleri gidermiş bir su elde etmekle eşitleyemeyiz. Bir arıtma basamağını doğru anlamak, yaptığı değişikliği adı kadar sınırıyla da tanımlamayı gerektirir.

Gaz fazına geçirmek ve suyu buharlaştırmak

Havalandırma, uygun uçucu bileşenleri sudan hava tarafına aktarabilen bir işlemdir. Su ile hava arasındaki temas alanının ve madde aktarımının düzenlenmesi önemlidir. Burada daha önce tanıdığımız gaz–sıvı ilişkisi bir arıtma amacına yöneltilmiştir. Fakat bir maddeyi sudan havaya geçirmek, o maddenin artık hiçbir yerde bulunmadığı anlamına gelmez. Çıkış havası da işlemin bilançosunun parçasıdır. Aynı nedenle bir kaptaki suyun beklerken havayla temas etmesini, tasarlanmış bir havalandırma işleminin bütün sonuçlarıyla özdeşleştiremeyiz. Temasın varlığı bir başlangıç bilgisidir; aktarımın büyüklüğü, süre ve düzenek koşullarıyla birlikte değerlendirilir. Uçucu olmayan çözünmüş bir bileşen içinse yalnız daha çok hava vermek, uygun bir ayırma mekanizması oluşturmaz.

Damıtmada bu kez suyun kendisi buharlaştırılır ve ayrı yerde yeniden yoğuşturularak toplanır. Suyla birlikte aynı ölçüde buhar fazına geçmeyen birçok madde geride kalabilir. Bu yöntemi yalnız “kaynatma” diye adlandırmak, toplama basamağını gizler: Su buharını ayrı bir ürün olarak elde etmek gerekir. Öte yandan uçucu bazı maddeler için ayrım aynı biçimde işlemez; her kimyasalın geride kalacağını varsayamayız. Faz değişimi bilgisi burada yararlıdır, fakat tek başına bütün karışımların davranışını belirlemez. Ayırmak istediğimiz bileşenin davranışını da tanımamız gerekir. Ayrıca ısıtma ve buharlaştırma enerji gerektirir. Bu yüzden fiziksel olarak mümkün bir ayrılma yolunun, her ölçek ve her kullanım amacı için aynı ölçüde elverişli olacağı sonucu çıkmaz. Ürün suyu toplanırken kalan sıvının bileşimi de değişir. Bir süre boyunca alınan yoğuşmuş suyu tek başına ölçmek, gerideki sıvının durumunu anlatmaz. Hangi akımın ürün olarak seçildiği ve hangisinin sistemden ayrı uzaklaştırıldığı baştan belirtildiğinde, buharlaştırma ile ayırma arasındaki ilişki daha açık izlenebilir.

Ayırmanın ardından maddeyi izlemek

Bu işlemleri karşılaştırırken “giderim” sözcüğünün hangi sınır için kullanıldığını sormak gerekir. Hedef madde, içilecek su akımında azalmış olabilir; fakat filtre yatağında, çamurda, konsantre akımda veya havada bulunmayı sürdürebilir. Membrandan geçen suyun yanında daha derişik bir akım oluşması bunun açık örneğidir. Bu akımı değerlendirme dışına bıraktığımızda cihazın içinden geçen maddenin hesabını eksik tutarız. Aşağıdaki varsayımsal hesap, seçilmiş tek bir bileşenin iki çıkışa nasıl dağıldığını göstermek için kurulmuştur. Verilen sayılar herhangi bir membranın gerçek performansı değildir. Amaç, ürün suyundaki düşük derişimin toplam madde miktarıyla nasıl birlikte düşünüleceğini görmektir. Bir ayırma işleminde maddenin azaldığı yeri bilmek kadar, hangi yöne gittiğini bilmek de gerekir.

Örnek hesap 2 — Ayrılan madde nereye gider?

Öğretim amacıyla seçilmiş varsayımsal sayılar; gerçek cihaz performansı, su analizi veya içilebilirlik ölçütü değildir.

Besleme suyu: 100 L; seçilen çözünmüş bileşenin kütle derişimi: 10 mg/L.

Membrandan geçen ürün suyu: 60 L; aynı bileşenin ürün suyundaki kütle derişimi: 1 mg/L.

Kalan konsantre akımın hacmi: 40 L.

Hesaplanan sürede yalnız bu iki çıkış vardır. Seçilmiş bileşen kimyasal dönüşüme uğramaz; yüzeye tutunma, çökelme, sızıntı veya sistem içinde birikim olmaz. Hacimlerin toplamı bu öğretim örneğinde 100 L alınmıştır.

Beslemeyle giren bileşen kütlesini hesaplarız:

$\$text{Giren kütle = 100 L × 10 mg/L = 1000 mg}

Ürün suyuyla çıkan bileşen kütlesini hesaplarız:

$\$text{Ürünle çıkan = 60 L × 1 mg/L = 60 mg}

Giren kütleden ürünle çıkanı çıkarırız:

$\$text{Konsantrede kalan = 1000 mg − 60 mg = 940 mg}

Konsantredeki kütleyi bu akımın hacmine böleriz:

$\$text{Konsantre derişimi = }\frac{\text{940 mg}}{\text{40 L}}\text{ = 23,5 mg/L}

Beslemeyle giren toplam 1000 mg bileşen, ürün suyunda 60 mg ve konsantrede 940 mg olarak bulunur. Ürün suyundaki derişim düşerken diğer akımın derişimi yükselmiştir. Hedef madde yok olmamış, iki çıkış arasında farklı biçimde dağılmıştır.

Bu sayılar bütün maddelere veya membranlara genellenemez. Gerçek sistemde tutunma, birikim, kimyasal dönüşüm ya da başka çıkış varsa bilanço bunları da içermelidir. Hesap, ürün suyunun güvenli olduğunu göstermez.

Akım ayrımı:. Sayılar: açıkça varsayımsal öğretim seçimi.

Ürün suyundaki derişim ile sistemden çıkan toplam kütle farklı soruları yanıtlar. Kütle bilançosunda her çıkışın hacmi ve derişimi birlikte kullanılır; küçük hacimli bir akım daha yüksek derişim taşıyabilir. Gerçek ölçümlerde bileşenin kimliği, zaman aralığı ve bütün çıkışlar tanımlanarak örneğin kabulleri sınanır.

İşlemlerin birbirini tamamladığı yer

Fiziksel ayırma ile dezenfeksiyonun aynı görev sayılmaması gerekir. Bir parçacığın sudan uzaklaştırılması, bir mikroorganizmanın enfeksiyon oluşturma yeteneğinin etkisizleştirilmesiyle aynı değişim değildir. UV uygulaması veya kimyasal dezenfeksiyon farklı bir hedefe yönelir. Buna rağmen basamaklar birbirinden kopuk değildir: Örneğin bulanıklık UV dezenfeksiyonunu olumsuz etkileyebilir; önceden yapılan uygun parçacık giderimi bu nedenle sonraki basamağın çalışma koşullarıyla ilişkilidir. Bu noktada tek bir işlemden bütün soruları yanıtlamasını beklemek yerine, her basamağın hangi görevi üstlendiğini görmek daha açıklayıcıdır. İşlemlerin birlikte bulunması da tek başına yeterlilik kanıtı sayılmaz; sıralarının, koşullarının ve hedeflenen sonucun birlikte değerlendirilmesi gerekir.

Tablo 6 bu bölümdeki işlemleri, yararlandıkları ayrım ve hedefin sonraki yeri bakımından yan yana getirir. Bu bir cihaz sıralaması değildir; bir mekanizma haritasıdır. Düşünce örneğimize dönersek, parçacıklı su için uygun bir ilk basamak, çözünmüş iyon ağırlıklı suyun gereksinimini karşılamayabilir. Birden fazla sorun bir aradaysa, basamakların birbirine hazırladığı suyun niteliği önem kazanır. Filtrenin öncesindeki parçacık oluşturma, membranın öncesindeki uygun ön işlem veya dezenfeksiyondan önce bulanıklığın azaltılması bu ilişkinin farklı örnekleridir. Her birinde aynı düşünce geçerlidir: Bir basamağın çıkışı, sonrakinin başlangıç koşuludur. Süreci anlamak için bu sınırda neyin değiştiğini ve neyin hâlâ suda bulunduğunu sormamız gerekir.

Özgün mekanizma karşılaştırması; bütün türler için performans garantisi veya eksiksiz işlem tasarımı vermez. Ayrı akımlarda toplanan maddelerin yönetimi ayrıca gerekir.

Suya artık yalnız molekül formülüyle veya tek bir görünüşle bakmıyoruz. Sıcaklıkla değişebilen akış özelliklerini, yüzeylerle kurduğu ilişkiyi, içerdiği maddenin bulunma biçimini ve bir işlemde izlediği yolu birlikte düşünebiliyoruz. Bu bilgiler bir kaynağın suyunu baştan güvenli ya da güvensiz ilan etmez; o suya hangi soruları yönelteceğimizi belirler. Sıradaki ölçekte suyu laboratuvar kabının ve arıtma düzeneğinin dışına taşıyacağız. Yağışla yere ulaşan, yüzeyde ilerleyen veya zemine giren su, çevresiyle temas ettikçe yeni maddelerle karşılaşır. Bir kaynağın niteliğini anlamak için bu yolculukta nereden geçtiğini ve hangi koşulların değiştiğini izlemek gerekir. Molekülden başlayan açıklama, böylece doğal suyun bulunduğu ortama açılır.