Kohezyon Kuvvetleri ve Yüzey Gerilimi ile Adezyon

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste Kohezyon Kuvvetleri ve Yüzey Gerilimi ile Adezyon konusunu çalışacağız. Konuyu gözle görülebilir hale getirmeye özen gösterdik; sonra sayısal karşılıklarına geçeceğiz.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Adezyon kuvvetini, farklı maddelerin tanecikleri arasındaki çekim olarak tanımlar.
• Kazanım 2: Kohezyon ile adezyonun güçlülük ilişkisine göre menisküs biçimini belirler ve nedenini açıklar.
• Kazanım 3: Su ve cıvanın cam kaplardaki farklı davranışını gerekçesiyle karşılaştırır.
• Kazanım 4: ıslatma kavramını ve ıslatma açısını kullanarak sıvının yüzeye yayılıp yayılmadığını değerlendirir.
• Kazanım 5: Kılcallık olayını adezyon ve kohezyon dengesine dayandırarak açıklar.
• Kazanım 6: Peçete, bant, boya, mum ve temizlik uygulamaları gibi günlük hayat örneklerini bu kavramlarla ilişkilendirir.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konunun dayandığı temel Kohezyon Kuvvetleri ve Yüzey Gerilimi başlığıdır. Kohezyon Kuvvetleri ve Yüzey Gerilimi konusunda kazanılan bilgiyi burada yeniden kullanacağız, bu yüzden o konudaki tanım ve çıkarımları hatırlamak işimizi kolaylaştırır.

• Kohezyon Kuvvetleri ve Yüzey Gerilimi — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.
• Sıvıların Özellikleri: Kaynama Sıcaklığı, Buhar Basıncı ve Viskozite — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.

Adezyon Kuvveti Nedir?

Adezyon, farklı maddelerin tanecikleri arasındaki çekim kuvvetidir. Bir su molekülünün cam yüzeydeki oksijen atomlarına, bir tutkal molekülünün kâğıt liflerine, bir boya molekülünün duvar yüzeyine çekilmesi adezyon örneğidir. Kohezyon ise aynı maddenin kendi tanecikleri arasındaki çekimdir. İki kavramı bir arada düşünmek, sıvıların davranışlarını açıklamanın anahtarıdır.

Bir sıvının bir yüzeyi nasıl etkilediği, tamamen bu iki çekim arasındaki yarışa bağlıdır. Adezyon kohezyondan güçlüyse sıvı tanecikleri yüzeye yayılmayı tercih eder; sıvı yüzeyi ıslatır ve ince bir tabaka hâline gelir. Kohezyon adezyondan güçlüyse sıvı tanecikleri birbirine tutunmayı ve yüzeyden uzaklaşmayı tercih eder; sıvı yüzeye yayılmaz, damla hâlinde kalır ve mümkün olan en küçük yüzey alanını korur. İki kuvvet birbirine yakın güçteyse sıvı yüzeyi düze yakın kalır.

Menisküs Biçimleri

Sıvının bir kap içindeki yüzeyi, kap duvarına doğru eğildiğinde oluşan kıvrıma menisküs denir. Menisküsün biçimi doğrudan adezyon ile kohezyonun güçlülük ilişkisini yansıtır ve bu nedenle sıvının cinsinden çok kap yüzeyinin cinsine bağlıdır. Aynı sıvı, cam kapta farklı, plastik kapta farklı bir menisküs oluşturabilir.

• Adezyon daha güçlüyse içe bükük menisküs: Sıvı duvarı ıslatır, tanecikler duvara doğru tırmanır ve yüzey ortada aşağı doğru kavislenir. Su ve camın ikilisi bu durumun tipik örneğidir.
• Kohezyon daha güçlüyse dışa bükük menisküs: Sıvı duvarı ıslatmaz, tanecikler kendi aralarında toplanır ve yüzey ortada yukarı doğru kavislenir. Cıvanın cam kapta görünümü böyledir.
• İki kuvvet dengeliyse düz menisküs: Yüzey iki yana doğru çok hafif eğilir ve pratikte düz görünür.

Bu üç biçim, sıvının kıvamı ya da miktarıyla ilgili değildir; yalnızca iki çekim kuvvetinin göreli gücüyle açıklanır. Bu yüzden bir ölçekte menisküs görüntüsü görüp sıvının cinsini tahmin etmek mümkün değildir; kap yüzeyinin cinsini de bilmek gerekir.

Islatma ve Islatma Açısı

Bir sıvının katı bir yüzeyi ıslatması, o yüzeye yayılarak ince ve düzgün bir tabaka oluşturmasıdır. Sıvının yüzey ile yaptığı açıya ıslatma açısı denir ve davranış bu açıya göre sınıflandırılır. Açı doksan dereceden küçükse sıvı yüzeyi tam olarak ıslatır ve yayılır. Açı doksan dereceden büyükse sıvı yüzeye tutunmakta zorlanır ve damla hâlinde kalır. Açı doksan dereceye yakınsa sınır durumdur ve sıvı yüzeyde neredeyse dik bir sütun hâlinde durur.

Islatma, günlük hayatta birçok yerde belirleyicidir. Sütten bir damla masanın üstüne düştüğünde neden hızla yayılıp kaybolur? Süt sıvısı, süt proteinleri ve yağ molekülleri masanın yüzeyiyle iyi bir etkileşim kurar; adezyon kohezyondan baskın hâle gelir. Buna karşılık arabanın camlarına uygulanan su itici kaplama ve bitki yapraklarındaki mum tabakası, kohezyonu güçlendirir; su bu yüzeylerde küçük damlalar hâlinde kalır ve yuvarlanarak kaybolur. Islatma davranışını değiştirmenin en kolay yolu araya başka bir madde sokmaktır.

Kılcallık

Kılcallık, sıvının dar bir borunun içinde kendiliğinden yükselmesi ya da alçalmasıdır. Bu olay iki etkinin birlikte çalışmasıyla gerçekleşir. Birincisi, sıvının kap duvarına tutunmasıdır; bu adezyondur ve sıvıyı duvara doğru çeker. İkincisi, sıvının yüzey gerilimidir; sıvı yüzeyini küçültmeye çalışır ve yükselen sütunu aşağı çekmek ister. Bu iki etki toplandığında sıvı boruda yükselir ya da alçalır.

Su camdan yapılmış dar bir boruda yükselir, çünkü su ile cam arasındaki adezyon suyun kohezyonundan güçlüdür. Aynı boruda cıva ise alçalır, çünkü cıvanın tanecikleri arasındaki kohezyon camla kurduğu adezyondan güçlüdür. Bor ne kadar dar ise yükselme o kadar fazladır; kılcal yükselme miktarı borunun iç çapıyla ters orantılıdır. Kâğıt havlu, peçete ve mendil de aynı olgunun doğal karşılığıdır; bunlar liflerden oluşan çok sayıda ince kanallar içerir ve su, liflere tutunarak bu kanallara doğru hızla ilerler.

Örnek Soru ve Çözümü

Soru: Cam bir kaba konan su ile cam bir kaba konan cıva için yüzey şeklini karşılaştırınız ve iki olayın farkını adezyon ve kohezyon üzerinden açıklayınız.

Çözüm:

1. Su ile cam arasındaki adezyon, suyun kendi tanecikleri arasındaki kohezyonundan güçlüdür.
2. Bu nedenle su molekülleri camın duvarına tutunur ve su yüzeyi duvara doğru tırmanır; orta bölgede yüzey aşağı doğru kavislenir.
3. Bu, içe bükük menisküstür ve su sütunu camda bir miktar yükselir.
4. Cıva ile cam arasındaki adezyon ise cıvanın tanecikleri arasındaki güçlü kohezyondan zayıftır.
5. Cıva duvara tutunmak yerine kendi taneciklerine tutunur; yüzey ortada yukarı doğru kavislenir.
6. Bu, dışa bükük menisküstür ve cıva sütunu camda bir miktar alçalır.

Sonuç olarak su içe bükük menisküs oluşturur ve yükselir, cıva ise dışa bükük menisküs oluşturur ve alçalır. Dikkat edilmesi gereken nokta, menisküs biçimini belirleyenin sıvının kendisi kadar kap yüzeyinin de olduğudur.

Günlük Hayat Uygulamaları

Yapışkan bant, tutkal ve boya gibi ürünlerin çalışma mantığı doğrudan adezyondur. Bant, uygulandığı yüzeydeki taneciklerle kuvvetli etkileşimler kurar ve yüzeye yapışır. Boya ise hem yüzeye tutunur hem de katılaştıkça kendi tanecikleri arasında kohezyon kurarak tabaka oluşturur; bu yüzden duvardan kazınabilir. Peçete ve kâğıt havlu suyu çekerken lifler arası adezyon ve kılcallık birlikte çalışır; bu nedenle peçete bir kez ıslatıldıktan sonra daha da çekici hâle gelir.

Temizlikte ise mesele biraz farklıdır. Kirli bir yüzeyde su, istenmeyen yağ tabakasının üzerine yayılmak istemez; çünkü yağ suyla iyi bir etkileşim kuramaz. Deterjan eklenince yüzey gerilimi düşer ve su, yağın üzerine yayılarak arayüz oluşturur. Ardından yüzey aktif moleküllerin hidrofob uçları yağın içine yerleşir ve kir parçacıkları suda dağılır. Yani temizlik ürünleri hem yüzey gerilimini hem de sıvılar arası etkileşim dengesini değiştirir.

Sık Yapılan Hatalar

• Menisküs biçimini sıvının cinsine bağlamak: Menisküs biçimini belirleyen, sıvının kap yüzeyiyle kurduğu adezyonun kohezyondan güçlü olup olmadığıdır.
• Cıvanın camı ıslattığını düşünmek: Cıvanın kohezyonu adezyonundan güçlüdür; bu nedenle yayılmaz, damla hâlinde kalır ve ıslatma açısı geniştir.
• Kılcal yükselmeyi yalnızca kohezyonla açıklamak: Kılcallık, sıvının duvara tutunması ve yüzey geriliminin sütunu aşağı çekmesi olmak üzere iki etkinin birlikte çalışmasıyla oluşur.
• Peçetenin suyu çekmesini sadece kohezyonla açıklamak: Peçete lifleri farklı bir maddeden olduğu için burada adezyon ve kılcallık söz konusudur, kohezyon değil.
• Deterjanın yüzey gerilimini artırdığını düşünmek: Deterjan yüzey gerilimini düşürür; bu sayede sıvı yüzeye yayılır ve ıslatıcılığı artar.

Özet

Adezyon, farklı maddelerin tanecikleri arasındaki çekim kuvvetidir. Sıvının bir yüzeyi ıslatıp ıslatmayacağı, adezyon ile kohezyon arasındaki güçlülük yarışına bağlıdır. Adezyon güçlüyse sıvı yüzeye yayılır, ıslatma açısı doksan dereceden küçük olur ve içe bükük menisküs oluşur; kohezyon güçlüyse sıvı yayılmaz, açı doksan dereceden büyük olur ve dışa bükük menisküs görülür. İki kuvvet dengeliyse menisküs düze yakındır. Kılcallık, sıvının kap duvarına tutunması ile yüzey geriliminin birlikte çalışmasıdır; su cam boruda yükselir, cıva alçalır ve yükselme miktarı bor çapıyla ters orantılıdır. Peçete, bant, tutkal, boya, mum kaplı yüzeyler ve deterjan uygulamaları bu iki kavramın günlük hayattaki karşılıklarıdır.

Günlük hayattan bir uygulama

Şimdi konuyu kendi hayatımızdaki bir duruma uygulayacağız. Kohezyon Kuvvetleri ve Yüzey Gerilimi ile Adezyon bilgisi olmadan da bu iş yapılabilir, ama nasıl yapıldığını açıklamak zorlaşır; soru tam da bu açıklamayı istiyor.

Uygulama sorusu: Kohezyon ve adezyon kuvvetlerini karşılaştırarak su ve cıvanın cam bir kapta neden farklı davrandığını açıklayınız.

Bu görev için 20 puan dağıtılmıştır; puanlama anahtarı, cevabın hangi adımlarla gösterilmesi gerektiğini ayrıntılı biçimde söyler. Puanlamada işlem sırasının ve sonuç cümlenin ayrı ayrı sayıldığına dikkat et.

Yararlı ipuçları

• Bir menisküs sorusunda önce kap yüzeyinin cinsini, sonra sıvının cinsini belirleyin; iki çekim karşılaştırılır.
• Su için cam yüzey, cıva için cam yüzey karşılaştırmasını ezberleyin; bu klasik ikili sınavlarda sık sorulur.
• ıslatma açısı sorularında doksan dereceyi sınır kabul edin; küçükse yayılır, büyükse damla hâlinde kalır.
• Kılcallık sorusunda iki etkiyi de adlandırın: duvara tutunma adezyon, sütunu aşağı çekme yüzey gerilimi.
• Temizlik ve yağ temizleme sorularında deterjanın yüzey gerilimini düşürdüğünü hatırlayın.
• Mum, balmumu ve itici kaplamaların sıvıyı yaydırmamasının nedenini kohezyonun baskın olmasıyla açıklayın.

İki örnek üzerinde çözüm

İki örnek üzerinde çalışacağız. İlk örnek kuralın temel kullanımını, ikinci örnek ise kuralın zorlayıcı bir durumunu gösterir. Adımları kendin yazmayı dene; ikinci adımda nerede durduğunu görmek, sınavda zaman kazanır.

Örnek 1: Menisküs Biçimi

Soru: Cam bir kaba konan suyun yüzey şeklini ve nedenini açıklayınız.

1. Adım 1: Su ile cam arasındaki adezyon, suyun kohezyonundan güçlüdür.
2. Adım 2: Su molekülleri camın duvarına tutunur ve duvara doğru tırmanır.
3. Adım 3: Orta bölgede yüzey aşağı doğru kavislenir.
4. Adım 4: Bu görünüme içe bükük menisküs denir ve su sütunu camda hafifçe yükselir.

Cevap: Su, camda içe bükük menisküs oluşturur ve sütun düzeyi hafifçe yükselir.

Bu örnekte adım sayısını not edin: kural her zaman aynı sayıda işlemle değil, kazanılması gereken bilgiye göre çözülür.