Katıların Gizemli Dünyası: Amorf ve Kristaller

Çevremizdeki Katılar Neden Bu Kadar Farklı?

Sabah kahvaltısında kullandığın çelik kaşık, yemeğine attığın sofra tuzu, suyunu içtiğin cam bardak veya defterine yazı yazdığın kurşun kalem ucu... Bunların hepsi madde olarak katı hâldedir. Ancak dokunduğumuzda sertlikleri, ısıttığımızda erime sıcaklıkları ve dış görünümleri birbirinden ne kadar da farklı, değil mi? Dünyadaki bilinen en sert maddelerden biri olan elmas ile elinde kolayca şekil verebildiğin bir oyun hamuru veya lastik arasındaki bu devasa farkın sırrı, içlerindeki taneciklerin dizilişinde ve bu tanecikleri bir arada tutan etkileşimlerin gücünde saklıdır.

Katıların Sınıflandırılması: Amorf ve Kristaller

Bilim insanları katıları, atomlarının veya moleküllerinin uzaydaki diziliş düzenine göre iki ana gruba ayırırlar:

• Amorf Katılar: Tanecikleri belirli bir geometrik kurala uymadan, tamamen rastgele ve düzensiz yığılmıştır. Bu düzensizlik onlara ilginç bir özellik katar: Belirli bir erime noktaları yoktur! Isıtıldıklarında önce yavaş yavaş yumuşarlar. Bu yumuşamanın başladığı sıcaklığa 'camsı geçiş sıcaklığı' denir. Cam, plastik, tereyağı ve kauçuk amorf katılara en güzel örneklerdir.
• Kristal Katılar: Tanecikleri muazzam bir düzen içinde, adeta bir yapbozun parçaları gibi belirli bir geometrik düzene göre dizilmişlerdir. Kar tanelerinin mikroskop altındaki o büyüleyici simetrisini düşünün! Kristal katıların, erimeye başladıkları kesin ve net bir sıcaklık değeri vardır. Elmas, sofra tuzu, şeker ve metallerin birçoğu kristal yapıdadır.

Kristaller Kendi İçinde Neden Farklılık Gösterir?

Elmas da buz da kristal katıdır. Peki neden elmas her şeyi çizecek kadar sertken buz elimizde eriyip gider? Cevap: Etkileşim türü! Kristal katılar, tanecikleri bir arada tutan çekim kuvvetlerine göre dört alt gruba ayrılır:

• 1İyonik Kristaller: Zıt yüklü iyonların güçlü elektriksel çekim (elektrostatik) kuvvetleriyle bir arada tutulduğu katılardır. Erime ve kaynama noktaları yüksektir. Sert ve kırılgandırlar. Katı hâldeyken elektriği iletmezler ancak eritildiklerinde veya suda çözündüklerinde iyonlar serbest kalacağı için elektriği iletirler. Sofra tuzu (NaCl) bunun en popüler örneğidir.
• 2Kovalent Kristaller: Atomların çok sayıda kovalent bağ kurarak üç boyutlu dev bir ağ örgüsü oluşturduğu katılardır. Bağlar çok güçlü olduğu için bu katılar son derece serttir ve erime noktaları olağanüstü yüksektir. Elmas ve kuvars (kumun ana maddesi) kovalent kristallerdir. İstisnai olarak, kurşun kalem uçlarında da bulunan 'grafit', tabakalar arasındaki zayıf bağlar ve hareketli elektronlar sayesinde yumuşaktır ve elektriği iletir.
• 3Moleküler Kristaller: Moleküllerin arasında London kuvvetleri, dipol-dipol etkileşimleri veya hidrojen bağları gibi zayıf fiziksel etkileşimlerin bulunduğu katılardır. Bu zayıf çekimler nedeniyle erime noktaları çok düşüktür ve yapıları yumuşaktır. Elektriği iletmezler. Buz (katı su), kuru buz (katı karbondioksit) ve iyot katısı örnek olarak verilebilir.
• 4Metalik Kristaller: Düzenli dizilmiş pozitif metal iyonları ile onların etrafında serbestçe dolanan elektron denizinin arasındaki çekim kuvveti (metalik bağ) ile oluşur. Bu serbest elektronlar sayesinde ısıyı ve elektriği mükemmel iletirler. Tel ve levha hâline getirilerek şekillendirilebilirler. Çelik kaşık, bakır tel ve altın yüzük birer metalik kristaldir.

Sonuç: Etkileşim Gücü ve Fiziksel Özellik İlişkisi

Bir katının sert olması, yüksek sıcaklıklarda erimesi veya elektrik akımını iletebilmesi tamamen mikroskobik düzeydeki bağlarına bağlıdır. Sınıfınızda arkadaşlarınızla şu konuyu tartışabilirsiniz: Eğer su molekülleri arasında zayıf hidrojen bağları yerine, elmastaki gibi güçlü kovalent ağlar olsaydı dünyamızdaki okyanuslar, buzullar ve canlı yaşamı nasıl etkilenirdi?