Почему снежинки шестиугольные?
Почему снежинки шестиугольные?
Комменты к. х. н. О. В. Мосина.
Почему простые кристаллы льда шестиугольны просто попять, анализируя структуру кристаллической воды – льда.
В молекуле воды две электрические пары образуют полярные ковалентные связи меж атомами водорода и кислорода, а оставшиеся две электрические пары остаются свободными и именуются неподеленными.
Рис. Молекула воды
Так как у атома кислорода больше электронов (химики молвят, что атом кислорода более электроотрицательный), чем у атома водорода, электроны 2-ух атомов водорода сдвигаются в сторону более электроотрицательного атома кислорода, приводя к тому, что два положительных заряда атомов водорода компенсируются равным по величине двум атомов водорода отрицательным зарядом атома кислорода. Потому электрическое скопление имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недочет электрической плотности, а на обратной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается излишек электрической плотности. Это приводит к тому, что молекула воды представляет собой небольшой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Конкретно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится большая геометрическая фигура — верный тетраэдр.
Простой ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные меж собой водородными связями 5 молекул Н2О. При всем этом у каждой из молекул воды в обычных тетраэдрах сохраняется способность создавать водородные связи. За счет их обыкновенные тетраэдры могут объединяться меж собой верхушками, ребрами либо гранями, образуя различные пространственные структуры.
Рис. В кристаллической структуре льда любая молекула воды участвует в 4 водородных связях, образуя тетраэдр
Таким макаром, структура воды связана с так именуемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Молекула воды также имеет форму платонова тела (тетраэдра).
И из всего обилия структур в природе базисной является гексагональная (шестигранная) структура, когда 6 молекул воды (тетраэдров) соединяются воединыжды в кольцо. Таковой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды.
Снежинка — непростая симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных совместно. Вариантов «сборки» огромное количество — до сего времени не удалось отыскать посреди снежинок 2-ух схожих. Исследования, проведенные в лаборатории Либбрехта, подтверждают данный факт — кристаллические структуры можно вырастить искусственно либо следить в природе. Существует даже систематизация снежинок, но, невзирая на общие законы построения, снежинки все равно будут немножко отличаться друг от друга даже в случае относительно обычных структур.
Рис. 1. Кристаллическая структура льда
Так почему же снежинки шестиугольны? В кристаллической структуре льда любая молекула воды участвует в 4 водородных связях, направленных к верхушкам тетраэдра под строго определенными углами, равными 109°28′ (при всем этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр верный). В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в 2-ух верхушках — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся верхушки занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. Сейчас становится понятным, почему кристалл льда шестиугольный.
Основная особенность, определяющая форму кристалла — это связь меж молекулами воды, схожая соединению звеньев в цепи. Не считая того, из-за различного соотношения тепла и воды кристаллы, которые в принципе должны быть схожими, получают различную форму. Сталкиваясь на собственном пути с переохлажденными маленькими капельками, снежинка упрощается по форме, сохраняя при это симметрию.
Но почему время от времени образуются снежинки вытянутой формы? Снежинка — это монокристалл льда, аналог гексагонального кристалла, но выросшего стремительно, в неравновесных критериях. В одних критериях ледяные шестигранники усиленно вырастают повдоль собственной оси, тогда и образуются снежинки вытянутой формы — снежинка-столбики, снежинки-иглы. В других критериях шестигранники вырастают в большей степени в направлениях, перпендикулярных к их оси, тогда и образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок либо шестиугольных звездочек.
Более тщательно о снежинках и процессах их формирования читайте в статье Сергея Апресова “Белоснежная мистика”:
elementy.ru/lib/430557
К. х. н. О. В. Мосин
ПОЧЕМУ СНЕЖИНКИ ШЕСТИУГОЛЬНЫ?
Фотогалерея снежинок размещена на нашем веб-сайте тут.
Чтоб осознать, почему снежинки смотрятся так прекрасно, нужно разглядеть историю жизни 1-го снежного кристалла.
Ледяные снежинки в облаке образуются при -15 градусах вследствие перехода водяного пара в жесткое состояние. Основой для формирования снежинок являются маленькие частички пыли либо микроскопичные льдинки, которые служат ядром для конденсации на их молекулы воды. Ядро кристаллизации — это то, с чего начинается образование снежинок.
Все в большей и большей степени молекул воды присоединяются к возрастающей снежинке в определенных местах, придавая ей ясную форму шестигранника. Разгадка структуры жесткой воды кроется в строении ее молекулы, которую можно упрощенно представить для себя в виде тетраэдра — пирамиды с треугольным основанием в какой вероятны углы только в 60° и 120°. В центре находится кислород, в 2-ух верхушках — по водороду, поточнее — протону, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся верхушки занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, отчего их именуют неподеленными.
Снежинка — это монокристалл льда, вариация на тему гексагонального кристалла, но выросшего стремительно, в неравновесных критериях. В одних критериях ледяные шестигранники усиленно вырастают повдоль собственной оси, тогда и образуются снежинки вытянутой формы — снежинка-столбики, снежинки-иглы. В других критериях шестигранники вырастают в большей степени в направлениях, перпендикулярных к их оси, тогда и образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок либо шестиугольных звездочек.
К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды — в итоге образуются снежинки неверной формы. Распространенное мировоззрение, как будто снежинки непременно имеют вид шестиугольных звездочек, является неверным. Формы снежинок оказываются очень различными.
Астролог Иоганн Кеплер в 1611 году написал целый трактат «О шестиугольных снежинках». В 1665 году Роберт Гук увидел при помощи микроскопа и опубликовал огромное количество рисунков снежинок самой разной формы. Первую удачную фотографию снежинки под микроскопом сделал в 1885 году южноамериканский крестьянин Уилсон Бентли. Самые именитые последователи дела Бентли — это Укихиро Накайя и южноамериканский физик Кеннет Либбрехт. Накайя в первый раз представил, что величина и форма снежинок зависят от температуры воздуха и содержания в нем воды, и блистательно подтвердил эту догадку экспериментально, растя в лаборатории кристаллы льда разной формы. А Либбрехт у себя в Калифорнийском технологическом институте и до настоящего времени целыми деньками занят выращиванием снежинок Ученый, вместе с фотографом Патрисией Расмуссен планируют издать книжку, в которую войдут самые фотогеничные снежинки, некие из которых можно уже на данный момент узреть на его веб-сайте SnowCrystals.com.
Существует еще одна потаенна, присущая строению снежинки. В ней порядок и хаос сосуществуют совместно. Зависимо от критерий получения жесткое тело должно находиться или в кристаллическом (когда атомы упорядочены), или в бесформенном (когда атомы образуют случайную сетку) состоянии. Снежинки же имеют гексагональную решетку, в какой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода размещены беспорядочно. Но связь меж структурой кристаллической решетки и формой снежинки, которая больше молекулы воды в 10 миллионов раз, неочевидна: если б молекулы воды присоединялись к кристаллу в случайном порядке, форма снежинки вышла бы неверной. Все дело в ориентации молекул в решетке и расположении свободных водородных связей, которое содействует образованию ровненьких граней.
Молекулы водяного пара с большей вероятностью заполняют пустоты, ежели пристают к ровненьким граням, так как пустоты содержат больше свободных водородных связей. В итоге снежинки принимают форму правильных шестиугольных призм с ровненькими гранями. Такие призмы падают с неба, при сравнимо маленький влажности воздуха в самых различных температурных критериях.
Рано либо поздно на гранях возникают выпуклости. Каждый бугорок притягивает к для себя дополнительные молекулы, и начинает расти. Снежинка длительно путешествует по воздуху, при всем этом шансы повстречаться с новыми молекулами воды у выступающего бугорка несколько выше, чем у граней. Так на снежинке очень стремительно растут лучи. Из каждой грани растет один толстый луч, потому что молекулы не терпят пустоты. Из бугорков, образующихся на этом луче, растут ответвления. Во время путешествия крошечной снежинки все ее грани находятся в схожих критериях, что служит предпосылкой для роста схожих лучей на всех 6 гранях. В безупречных лабораторных критериях, все 6 направлений снежинки вырастают симметрично и с подобными конфигурациями. В атмосфере большая часть снежинок это нерегулярные кристаллы у их только некие из 6 веток могут быть симметричны.
В наши деньки исследование снежинок перевоплотился в науку. Еще в 1555 году швейцарским исследователем Мангусом были изготовлены зарисовки форм снежинок. В 1955 году российский ученый А. Заокеанский поделил снежинки на 9 классов и 48 видов. Это — пластинки, иглы, звезды, ежи, столбики, пушинки, запонки, призмы, групповые. Интернациональная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году достаточно ординарную систематизацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы либо колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и некорректные формы. И еще три вида оледенелых осадков: маленькая снежная крупка, ледяная крупка и град.
В 1932 году физик-ядерщик Укихиро Накайя, доктор Института в Хоккайдо, занялся выращиванием искусственных снежных кристаллов, что позволило составить первую систематизацию снежинок и выявить зависимость величины и формы этих образований от температуры и влажности воздуха. В городке Кага, расположенном на западном берегу острова Хонсю, существует основанный Укихиро Накайя Музей снега и льда, носящий сейчас его имя, символично выстроен в виде 3-х шестиугольников. В музее хранится машина для получения снежинок. Накайа выделил посреди снежинок 41 личный морфологический тип, а метеорологи С. Магано и Сю Ли в 1966 году обрисовали уже 80 типов кристаллов.
При определенных критериях, при отсутствие ветра, падающие снежинки могут сцепляются вместе, образуя большие снежные хлопья. Весной 1944 года в Москве выпали хлопья размером до 10 см в поперечнике, похожие на кружащиеся блюдца. А в Сибири наблюдались снежные хлопья поперечником до 30 см. Наибольшая снежинка была зафиксирована в 1887 году в американской Монтане. Ее поперечник составил 38 см, а толщина – 20 см. Для этого парадокса нужно полнейшее безветрие, ведь чем подольше снежинки путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются вместе. Потому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков — «алмазной пыли». Возможность узреть большие снежинки значительно растет поблизости водоемов: испарения с озер и водохранилищ – это хороший строительный материал.
Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на бессчетных гранях, делает у нас воспоминание белоснежной непрозрачной массы — мы называем ее снегом. Снежинка белоснежная, так как вода прекрасно поглощает красноватую и инфракрасную часть светового диапазона. Замерзшая вода почти во всем сохраняет характеристики воды водянистой. Солнечный свет, проходя через слой снега либо льда, теряет красноватые и желтоватые лучи, которые рассеиваются и поглощаются в нем, а насквозь проходит свет голубовато-зеленый, голубой либо ярко-синий — зависимо от того, какой толщины слой был на пути у света.
ФАКТЫ о снежинках
Снежинки образуют — снежный покров, который отражает в космос до 90% солнечного света.
В одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, а по всей Земле — 10 в 24 степени.
Вес самой снежинки всего около миллиграмма, изредка — 2…3. Все же к концу зимы масса снежного покрова северного полушария планетки добивается 13 500 миллиардов тонн.
Снег бывает не только лишь белоснежным. В арктических и горных регионах розовый либо даже красноватый снег — обыденное явление. Виной тому водные растения, живущие меж кристаллов. Но известны случаи, когда снег падал с неба уже окрашенный. Так, на Рождество 1969 года на местности Швеции выпал темный снег. Вероятнее всего, это впитанная из атмосферы копоть и промышленные загрязнения. В 1955 году около Даны, штат Калифорния, выпал фосфоресцирующий зеленоватый снег, унесший несколько жизней и причинивший тяжкий вред здоровью жителям, рискнувшим испытать его на язык. Появлялись различные версии этого парадокса, даже атомные тесты в штате Невада. Но, они все были отвергнуты и происхождение зеленоватого снега осталось потаенной.
Кеннет Либбрехт: снег под микроскопом
Популярность в мире янки Кеннету Либбрехту (Kenneth Libbrecht) принесла зима, а поточнее таковой ее нужный атрибут, как снег. Эпиграфом к его творчеству стоят слова Генри Дэвида Торо: «Воздух, в каком они появляются, заполнен творческим гением. Навряд ли я восхитился бы больше, даже если б мне на пальто свалились истинные звезды». Додумались, о чем речь? Верно. О снежинках!
Кеннет Либбрехт родился в 1958 году в городе Фарго, Северная Дакота. И он не фотограф, как может показаться на 1-ый взор, а ученый. Кеннет – доктор физики Калифорнийского технологического института. Сначала собственной карьеры наш герой интересовался астрономией, но последние его исследования посвящены исследованию свойств кристаллов льда, а в особенности структуры снежинок. Конкретно как дополнение к проф исследованиям Кеннета вышли несколько фаворитных книжек, иллюстрированных фото снежинок самых различных форм и размеров.
Большинству снежинок присуща шестисторонняя симметрия, хотя встречаются экземпляры и c 3-мя, и с двенадцатью сторонами. А вот узреть кристалл с 4-мя, пятью либо восемью сторонами – нереально, убеждает нас Кеннет. Самые безупречные по форме снежинки, по свидетельству создателя, можно отыскать, когда идет маленький снежок и дует легкий ветер, а погода при всем этом в особенности прохладная.
О популярности работ Кеннета свидетельствует к тому же тот факт, что четыре его фото были отобраны Почтовой службой США в качестве дизайна для марок, выпущенных к зимним праздничкам 2006 года. Общий тираж марок составил около 3-х млрд экземпляров.
«Каждый снегопад – это приключение для фотографа, так как они все приносят различные кристаллы, — ведает Кеннет Либбрехт. — И это правда – 2-ух схожих снежинок нет». Ну а раз так, то можно с уверенностью утверждать две вещи: работой создатель обеспечен на всю жизнь, а его творения можно рассматривать нескончаемо.
Фотограф Ярослав Гнатюк —
fotki.yandex.ru/users/yaroslavgnatuk/album/20704/
Как снять снежинку —
www.nkj.ru/archive/articles/4013/
Модель вируса ВИЧ —
visualscience.ru/illustrations/modelling/gripp-H1N1-interactive/