İng. Ice Crystal Structure and Shapes

Su, yeryüzünde yaşamın idamesi için vazgeçilmez bir kimyasaldır. 2 hidrojen, 1 oksijen atomundan meydana gelen su molekülü, H₂O kimyasal formülüne sahiptir. Atmosferik basınç ve 0°C sıcaklığın altında katı faza dönen yani kristalleşen su molekülü, “buz” ismini alır. Bir buz kristalinde su molekülleri altıgen halka katmanları halinde düzenlenir. Bu katmanlar, kristalin bazal düzlemleri olarak adlanır. Bazal düzlemin normaline, “kristalin c ekseni” veya “optik ekseni” denir. Buz, hidrojen bağı nedeniyle oldukça düzenli bir kristal yapıya sahiptir. Atmosferik basınçta altıgen, düşük sıcaklıkta ise kübik formdadır.

Buz kristalinin yoğunluğu suya kıyasla daha azdır. Bu nedenle buz, su üzerinde yüzer ve dünyadaki yaşam, iklim ve jeolojik süreçleri önemle etkiler. Su lineer olmayan bir moleküldür ve bir elektrik dipolü vardır. Bu durumun; suyun ve buzun yapısı, optik, elektrik ve mekanik özellikleri üzerinde etkileri vardır. Buz kristali anizotropiktir. Yani mekanik ve optik özellikleri her yönde aynı değildir. Buz düzensiz bir kristaldir. Yapıda oksijen atomları sabit bir konumda görünürken, H atomları (protonlar) rastgele konumda görünür. Bu, önemli bir “sıfır noktası entropisi” veya konfigürasyon bozukluğuna yol açar. Buzdaki elektrik akımı elektronlarla değil protonlarla taşınır. Buz yarı iletken gibidir. Elektrik iletkenliği artan sıcaklıkla artar. Su, -40°C ‘ye kadar kristallenmeden aşırı soğutulabilir. Buzun sıvı benzeri bir yüzey tabakası vardır. Bu durumun, sürtünme gibi yüzey özellikleri için önemi büyüktür.¹

Erime noktası ve kaynama noktası gibi suyun faz davranışı özellikleri, basınçla önemli ölçüde değişir (Şekil 1).² Buzun bilinen en az 19 adet kararlı yapısı yani polimorfu vardır. Şekil 2’de Şekil 1’in bir kısmına daha detaylı bakılıp; Tablo 1 ile buza ait bazı polimorflarının özelikleri tanımlanmıştır.³ Buzun tüm polimorfları, su moleküllerinin dört komşu su molekülüne hidrojen bağlanmasıyla oluşur.⁴

Tablo 1.Yoğunlukları, kristal yapıları ve proton bozukluğu sınıflandırması ile bilinen buz polimorflar

Dünyada yaşanabilir koşullarda bulunan altıgen buz-I_h formundan başka, buzun çoğu kararlı yapısı, çok yüksek basınçlarda oluşur. Örneğin, aşırı yüksek basınçta 100 °C’ yi aşan sıcaklıklarda kararlı olan buz fazları vardır. Kübik yapılı buz-I_c fazı ise atmosferik basınçta ve çok düşük sıcaklıkta meydana gelir (bkz. Şekil 1).²

Şekil 3, kar kristalleri de dâhil olmak üzere, dünya yüzeyinde bulunan tek buz türü olan buz-I_h’ın moleküler bir modelini göstermektedir. İki hidrojen atomunun her bir oksijen atomunu yakından nasıl kuşattığına dikkat edilirse, bu üçlünün esasen sağlam bir H₂O molekülü oluşturduğu görülür. Bu nedenle buz kristali, bir kafes yapısında düzenlenmiş bütün su moleküllerinin bütünü olarak düşünülebilir.⁵

Güçlü moleküler bağlar, bireysel H₂O moleküllerini bağlar ve bunlar da kristali oluşturmak için daha zayıf O-H bağları ile birbirine bağlanır. Kimyasal bağ terminolojisinde, kovalent bağlar her bir su molekülündeki iki hidrojeni sıkıca bağlarken, daha zayıf hidrojen bağları bitişik su moleküllerini birbirine bağlar. Bu düzenleme, Şekil 3’de gösterildiği gibi, her bitişik oksijen atomu çifti arasına tam olarak bir hidrojen atomu yerleştiren Bernal-Fowler kuralları tarafından tanımlanır.⁵