Комментарии к. х. н. О. В. Мосина.
Почему элементарные кристаллы льда шестиугольны легко попять, анализируя структуру кристаллической воды – льда.
В молекуле воды две электронные пары образуют полярные ковалентные связи между атомами водорода и кислорода, а оставшиеся две электронные пары остаются свободными и называются неподеленными .
Рис. Молекула воды
Поскольку у атома кислорода больше электронов (химики говорят, что атом кислорода более электроотрицательный), чем у атома водорода, электроны двух 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. Поэтому электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Это приводит к тому, что молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.
Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями пять молекул Н 2 О. При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя разнообразные пространственные структуры.
Рис. В кристаллической структуре льда каждая молекула воды участвует в 4 водородных связях, образуя тетраэдр
Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Молекула воды также имеет форму платонова тела (тетраэдра).
И из всего многообразия структур в природе базовой является гексагональная (шестигранная) структура, когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо. Такой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды.
Снежинка - сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов «сборки» множество - до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. Исследования, проведенные в лаборатории Либбрехта, подтверждают этот факт - кристаллические структуры можно вырастить искусственно или наблюдать в природе. Существует даже классификация снежинок, но, несмотря на общие законы построения, снежинки все равно будут чуть-чуть отличаться друг от друга даже в случае относительно простых структур.
Рис. 1. Кристаллическая структура льда
Так почему же снежинки шестиугольны? В кристаллической структуре льда каждая молекула воды участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра под строго определенными углами, равными 109°28" (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный). В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах - по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. Теперь становится понятным, почему кристалл льда шестиугольный.
Главная особенность, определяющая форму кристалла - это связь между молекулами воды, подобная соединению звеньев в цепи. Кроме того, из-за различного соотношения тепла и влаги кристаллы, которые в принципе должны быть одинаковыми, приобретают различную форму. Сталкиваясь на своем пути с переохлажденными мелкими капельками, снежинка упрощается по форме, сохраняя при это симметрию.
Но почему иногда образуются снежинки вытянутой формы? Снежинка - это монокристалл льда, аналог гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы - снежинка-столбики, снежинки-иглы. В других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях, перпендикулярных к их оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек.
Более подробно о снежинках и процессах их формирования читайте в статье Сергея Апресова “Белая магия”:
К. х. н. О. В. Мосин
ПОЧЕМУ СНЕЖИНКИ ШЕСТИУГОЛЬНЫ?
Чтобы понять, почему снежинки выглядят так красиво, необходимо рассмотреть историю жизни одного снежного кристалла.
Ледяные снежинки в облаке образуются при -15 градусах вследствие перехода водяного пара в твердое состояние. Основой для формирования снежинок являются мелкие частицы пыли или микроскопические льдинки, которые служат ядром для конденсации на них молекулы воды. Ядро кристаллизации - это то, с чего начинается образование снежинок.
Все больше и больше молекул воды присоединяются к растущей снежинке в определенных местах, придавая ей отчетливую форму шестигранника. Разгадка структуры твердой воды кроется в строении ее молекулы, которую можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра - пирамиды с треугольным основанием в которой возможны углы лишь в 60° и 120°. В центре находится кислород, в двух вершинах - по водороду, точнее - протону, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, отчего их называют неподеленными.
Снежинка - это монокристалл льда, вариация на тему гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы - снежинка-столбики, снежинки-иглы. В других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях, перпендикулярных к их оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек.
К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды - в результате образуются снежинки неправильной формы. Распространенное мнение, будто снежинки обязательно имеют вид шестиугольных звездочек, является ошибочным. Формы снежинок оказываются весьма разнообразными.
Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году написал целый трактат «О шестиугольных снежинках». В 1665 году Роберт Гук увидел с помощью микроскопа и опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы. Первую удачную фотографию снежинки под микроскопом сделал в 1885 году американский фермер Уилсон Бентли. Самые знаменитые последователи дела Бентли - это Укихиро Накайя и американский физик Кеннет Либбрехт. Накайя впервые предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры воздуха и содержания в нем влаги, и блистательно подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы. А Либбрехт у себя в Калифорнийском технологическом институте и по сей день целыми днями занят выращиванием снежинок Ученый, совместно с фотографом Патрисией Расмуссен планируют издать книгу, в которую войдут самые фотогеничные снежинки, некоторые из которых можно уже сейчас увидеть на его сайте SnowCrystals.com .
Существует еще одна тайна, присущая строению снежинки. В ней порядок и хаос сосуществуют вместе. В зависимости от условий получения твердое тело должно находиться либо в кристаллическом (когда атомы упорядочены), либо в аморфном (когда атомы образуют случайную сетку) состоянии. Снежинки же имеют гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично. Однако связь между структурой кристаллической решетки и формой снежинки, которая больше молекулы воды в десять миллионов раз, неочевидна: если бы молекулы воды присоединялись к кристаллу в случайном порядке, форма снежинки получилась бы неправильной. Все дело в ориентации молекул в решетке и расположении свободных водородных связей, которое способствует образованию ровных граней.
Молекулы водяного пара с большей вероятностью заполняют пустоты, нежели пристают к ровным граням, потому что пустоты содержат больше свободных водородных связей. В результате снежинки принимают форму правильных шестиугольных призм с ровными гранями. Такие призмы падают с неба, при сравнительно небольшой влажности воздуха в самых разных температурных условиях.
Рано или поздно на гранях появляются неровности. Каждый бугорок притягивает к себе дополнительные молекулы, и начинает расти. Снежинка долго путешествует по воздуху, при этом шансы встретиться с новыми молекулами воды у выступающего бугорка несколько выше, чем у граней. Так на снежинке очень быстро вырастают лучи. Из каждой грани вырастает один толстый луч, так как молекулы не терпят пустоты. Из бугорков, образующихся на этом луче, вырастают ответвления. Во время путешествия крохотной снежинки все ее грани находятся в одинаковых условиях, что служит предпосылкой для роста одинаковых лучей на всех шести гранях. В идеальных лабораторных условиях, все шесть направлений снежинки растут симметрично и с аналогичными конфигурациями. В атмосфере большая часть снежинок это нерегулярные кристаллы у них лишь некоторые из шести ветвей могут быть симметричны.
В наши дни изучение снежинок превратилось в науку. Еще в 1555 году швейцарским исследователем Мангусом были сделаны зарисовки форм снежинок. В 1955 году русский ученый А. Заморский разделил снежинки на 9 классов и 48 видов. Это - пластинки, иглы, звезды, ежи, столбики, пушинки, запонки, призмы, групповые. Международная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И еще три вида обледенелых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
В 1932 году физик-ядерщик Укихиро Накайя, профессор Университета в Хоккайдо, занялся выращиванием искусственных снежных кристаллов, что позволило составить первую классификацию снежинок и выявить зависимость величины и формы этих образований от температуры и влажности воздуха. В городе Кага, расположенном на западном берегу острова Хонсю, существует основанный Укихиро Накайя Музей снега и льда, носящий теперь его имя, символично выстроен в виде трех шестиугольников. В музее хранится машина для получения снежинок. Накайа выделил среди снежинок 41 индивидуальный морфологический тип, а метеорологи С. Магано и Сю Ли в 1966 году описали уже 80 типов кристаллов.
При определенных условиях, при отсутствие ветра, падающие снежинки могут сцепляются друг с другом, образуя огромные снежные хлопья. Весной 1944 года в Москве выпали хлопья размером до 10 сантиметров в поперечнике, похожие на кружащиеся блюдца. А в Сибири наблюдались снежные хлопья диаметром до 30 сантиметров. Самая большая снежинка была зафиксирована в 1887 году в американской Монтане. Ее диаметр составил 38 см, а толщина – 20 см. Для этого феномена необходимо полнейшее безветрие, ведь чем дольше снежинки путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются друг с другом. Поэтому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков - «алмазной пыли». Вероятность увидеть крупные снежинки существенно возрастает вблизи водоемов: испарения с озер и водохранилищ – это отличный строительный материал.
Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы - мы называем ее снегом. Снежинка белая, потому что вода очень хорошо поглощает красную и инфракрасную часть светового спектра. Замерзшая вода во многом сохраняет свойства воды жидкой. Солнечный свет, проходя сквозь слой снега или льда, теряет красные и желтые лучи, которые рассеиваются и поглощаются в нем, а насквозь проходит свет голубовато-зеленый, голубой или ярко-синий - в зависимости 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, редко - 2…3. Тем не менее к концу зимы масса снежного покрова северного полушария планеты достигает 13 500 млрд тонн.
Снег бывает не только белым. В арктических и горных регионах розовый или даже красный снег - обычное явление. Виной тому водоросли, живущие между кристаллов. Но известны случаи, когда снег падал с неба уже окрашенный. Так, на Рождество 1969 года на территории Швеции выпал черный снег. Скорее всего, это впитанная из атмосферы копоть и промышленные загрязнения. В 1955 году около Даны, штат Калифорния, выпал фосфоресцирующий зеленый снег, унесший несколько жизней и причинивший тяжкий вред здоровью жителям, рискнувшим попробовать его на язык. Возникали разные версии этого феномена, даже атомные испытания в штате Невада. Однако, все они были отвергнуты и происхождение зеленого снега осталось тайной.
Кеннет Либбрехт: снег под микроскопомПопулярность во всем мире американцу Кеннету Либбрехту (Kenneth Libbrecht) принесла зима, а точнее такой ее необходимый атрибут, как снег. Эпиграфом к его творчеству стоят слова Генри Дэвида Торо: «Воздух, в котором они возникают, наполнен творческим гением. Вряд ли я восхитился бы больше, даже если бы мне на пальто упали настоящие звезды». Догадались, о чем речь? Правильно. О снежинках! Кеннет Либбрехт родился в 1958 году в городке Фарго, Северная Дакота. И он не фотограф, как может показаться на первый взгляд, а ученый. Кеннет – профессор физики Калифорнийского технологического института. В начале своей карьеры наш герой интересовался астрономией, однако последние его исследования посвящены изучению качеств кристаллов льда, а особенно структуры снежинок. Именно как дополнение к профессиональным исследованиям Кеннета вышли несколько популярных книг, иллюстрированных фотографиями снежинок самых разнообразных форм и размеров. Большинству снежинок присуща шестисторонняя симметрия, хотя встречаются экземпляры и c тремя, и с двенадцатью сторонами. А вот увидеть кристалл с четырьмя, пятью или восемью сторонами – невозможно, уверяет нас Кеннет. Самые идеальные по форме снежинки, по свидетельству автора, можно найти, когда идет небольшой снежок и дует легкий ветер, а погода при этом особенно холодная. О популярности работ Кеннета свидетельствует еще и тот факт, что четыре его фотографии были отобраны Почтовой службой США в качестве дизайна для марок, выпущенных к зимним праздникам 2006 года. Общий тираж марок составил около трех миллиардов экземпляров. «Каждый снегопад – это приключение для фотографа, потому что все они приносят разные кристаллы, - рассказывает Кеннет Либбрехт. - И это правда – двух одинаковых снежинок нет». Ну а раз так, то можно с уверенностью утверждать две вещи: работой автор обеспечен на всю жизнь, а его творения можно рассматривать бесконечно. Фотограф Ярослав Гнатюк - Модель вируса ВИЧ - visualscience.ru/illustrations/modelling/gripp-H1N1-interactive/ |
Если вы когда-нибудь , то замечали, что у них разные формы. Считается, что в одном кубическом метре снега находится около 350 млн. снежинок! Все они шестиугольные и имеют кристаллоподобные структуры, но у каждой своя уникальная форма. Годами ученые пытались понять, откуда такая форма, что влияет на такую симметрию и почему у всех она разная. Каждая полученная мельчайшая частичка информации раскрывает еще одну удивительную тайну, заключенную в снежинке.
Разнообразие и идеальность шестиугольной структуры снежинок – это проявление мудрости и креативности Бога как Творца. Образование снежинок - это еще одно проявление безграничной изобретательности Господа. Эти тонкие, маленькие снежинки похожи на звездочки или головку иголки с множеством хрупких кончиков. Форма снежинок на рисунках действительно удивительна. На протяжении многих лет такая структура была предметом интереса людей. С 1945 года проводилось исследование с целью определить причину формирования геометрических фигур из микроскопических ледяных кристаллов. Одна снежинка состоит из более чем 200 ледяных кристалликов. Снежинки состоят из молекул воды, которые приобрели замысловатую форму. Снег, самое настоящее архитектурное чудо природы, приобретает форму, когда водяной пар замерзает, проходя через тучу. Это происходит следующим образом.
При попадании в тучи молекулы воды, хаотично разбросанные в водяном паре, начинают терять хаотичное движение из-за повышения температуры. Через некоторое время молекулы воды замедляются, начинают собираться в группки и затвердевают. При этом они упорядочены и имеют форму шестиугольных фигур, которые часто похожих друг на друга. Сначала каждая снежинка состоит из одной геометрически шестиугольной молекулы воды. Потом к ней присоединяются другие такие же молекулы.
Согласно теорий исследователей, основным фактором, определяющим очертание снежинки является то, что эти шестиугольные молекулы воды соединяются друг с другом как звенья в цепочке. К тому же, частички кристаллов, которые должны обычно выглядят одинаково, приобретают различные формы в зависимости от температуры и уровня влажности. (Roger Davey, David Stanley, «All about ice,» New Scientist, September 6, 1993.)
И все-таки, почему все снежинки имеют шестиугольную симметрию и почему все они отличаются друг от друга? Почему их контуры угловаты, а не ровные? Ученые все еще пытаются найти ответы на эти вопросы. Но одно очевидно: только Бог, Единый Творец, обладающий огромной силой, мог обеспечить разнообразие тысяч миллиардов снежинок.
Одно из самых удивительных явлений природы это уникальные и всегда шестигранные снежинки, которые словно маленькие бабочки кружатся в воздухе, покрывая землю сплошным слоем белоснежного снега. Какую точность соблюдает природа создавая только шестигранные снежинки, но в чём же секрет такой структуры снежинок? К тому же, каждая снежинка уникальна по своей форме.
Чтобы понять, почему снежинки шестигранные, нужно учитывать, что снежинки это замёрзшие капельки воды. Образуются снежинки не из дождя, а из водяного пара. Для выяснения этого факта в своё время, было потрачено много миллионов долларов. А вот белый цвет снежинок обусловлен тем, что снежинки – маленькие кристаллики льда особой формы, поэтому свет отражается от них и делает их белоснежными. При замерзании все молекулы в капельке льда выстраиваются особым порядком, в результате чего образуется специфическая геометрическая фигура, которая является кристаллом. Молекула воды, как говорит нам об этом наука химия, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При замерзании такой состав выстраивается в треугольник или шестиугольник. Каждый такой кристаллик очень мал и невидим без специального оборудования. Такие мини кристаллики движутся в воздухе за счёт воздушных потоков, которые совершают восходящие и нисходящие движения. В процессе такого перемещение происходит их группирование вокруг частички пыли или капельки воды. Постепенно это образование нарастает, собирая воедино сотни кристалликов. Через время, такое скопление становится достаточно тяжёлым, и падает на землю. Так выпадает снег. Размер выпадающих снежинок может быть самым разнообразным, порой достигая трёх сантиметров в диаметре. Размер снежинки обусловлен температурой воздуха, при которой происходило её формирование. Чем ниже была температура, тем меньше будет и размер снежинки.
Существует уникальное явление – разноцветный снегопад. Снежинки могут быть красными, синими, зелёными и даже чёрными. Это очень просто объясняется, и именно такие цвета придают снежинкам находящиеся в воздухе грибки или пыль.
Кроме этого, у снежинок существует ещё множество секретов. Мало кто знает, что эти маленькие природные чудеса на 95% состоят их воздуха. Именно поэтому они имеют небольшую плотность и так медленно, словно паря, спускаются на землю. Одна снежинка весит не более 2-3 миллиграмм, но это относится только к самым большим представительницам этого вида. Обычно вес снежинок не превышает миллиграмма. Самые большие снежинки, которые когда либо видело человечество, выпали в Москве в 1944 году, когда одна снежинка была размером с человеческую ладонь.
Почему снежинки шестиугольные?
Снежинка - одно из самых прекрасных созданий природы. Нам бы пришлось немало потрудиться, чтобы создать форму, сравнимую по красоте с формой снежинки. В снегопад миллионы снежинок падают на землю, и среди них нет двух одинаковых.
Снег, как ты уже знаешь, - это просто замерзшая вода. Почему тогда снег белый, если это замерзшая вода? Он должен быть бесцветным. Снег белый оттого, что плоскости снежинки, являющиеся кристалликами льда, отражают свет, поэтому снег и кажется белым.
При замерзании воды образуются кристаллы. Это значит, что молекулы выстраиваются особым порядком, образуя геометрическую форму, что мы и называем «кристаллом».
Так получилось, что молекула воды состоит из трех частиц - двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому при кристаллизации она может образовать трех - или шестиугольную фигуру.
Вода, превращающаяся в снег, есть форма водяного пара в атмосфере. При замерзании кристаллики воды настолько малы, что их не видно. При образовании снега эти кристаллики перемещаются воздушными потоками в атмосфере вверх и вниз.
Во время таких перемещений они группируются вокруг мельчайших частичек пыли или капелек воды. Подобная группа кристаллов становится все больше и больше, вокруг одного такого ядра может собраться несколько сотен таких кристаллов.
Эта группа становится большой, тяжелой и падает на землю. Мы называем ее «снежинкой». Некоторые снежинки достигают трех сантиметров в диаметре. Размеры снежинок зависят от температуры. Чем ниже температура, тем меньше снежинки.
А ты знаешь, что в некоторых частях планеты выпадал цветной снег: синий, зеленый, красный и даже черный? Это связано с присутствием в воздухе, где образуются снежинки, определенного грибка или пыли.
Почему все снежинки имеют одну очень странную особенность они все шестиугольной формы. Знаменитый Иоганн Кеплер, астроном, открывший законы ». движения планет. И к простому «снежному» вопросу он подходит как настоящий ученый посвящает ему научный труд «О шестиугольных снежинках». В поисках «действующего начала» Кеплер исследует и сравнивает формы пчелиных сот и зерен граната, срезы стеблей растений и формы цветков. Казалось бы, эти объекты исследования не имеют отношения к зимнему снегу, но ученый видит гармонию окружающего мира во взаимосвязи всех его элементов. Более того, он обнаруживает связь этих форм с «божественной пропорцией» (пропорцией «Золотого сечения») и с числами Фибоначчи. ПродолжимПродолжим!?
Снежинка Бентли Уилсон А. Бентли, удивительный фермер-самоучка из штата Вермонт (США), получивший прозвище «Снежинка» (Snowflake Man). В 1885 году, когда ему было 20 лет, после многочисленных неудачных попыток Уилсон сделал,наконец,первую фотографию так поразившей его снежинки,приладив к микроскопу большую складную фотокамеру. С этого момента Уилсон Бентли не выпускал фотокамеру из рук.46лет, Бентли собирал уникальную коллекцию фотографий снежинок. К концу жизни Бентли коллекция насчитывала более 5000 экземпляров. Что удивительно, ни одна форма снежинки не повторяется. Есть снежинки похожие, но абсолютно идентичных нет!
В языке эскимосов для наименования снега существует больше 20 слов. В якутском языке около 70. У них есть 50 разных слов для обозначения цветов снега. У эскимосов есть 28 слов для снега. А в языке эскимосов есть 14 определений снега. У эскимосов 150 слов для обозначения снега. Он для них вся жизнь. Поэтому весенний снег называется по-другому, чем зимний.
Снег образуется, когда вода, находящаяся в атмосфере в виде пара, замерзает. Пар замерзает, и получаются чистые, прозрачные кристаллы. Движение воздуха заставляет эти кристаллы летать вверх и вниз. Снег белый, потому что снежинки это кристаллы, которые отражают весь спектр света, который мы видим. Далее
В Сибири снежные хлопья достигали 30 сантиметров в диаметре. Такие гиганты могут выпадать только при полном безветрии. При низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков. При морозе в 40 градусов зарождающиеся кристаллики льда выпадают в виде «алмазной пыли». В Якутии в ясную морозную погоду выпадают тоненькие ледяные иголки.
Шестиугольная форма снежинок объясняется молекулярным строением воды, а вот на вопрос, почему снежинки плоские, пока ответа так и не найдено. Некоторые снежинки достигают трех сантиметров в диаметре. Размеры снежинок зависят от температуры. Чем ниже температура, тем меньше снежинки. В некоторых частях планеты выпадал цветной снег: синий, зеленый, красный и даже черный? Это связано с присутствием в воздухе, где образуются снежинки, определенного грибка или пыли.
