Почему снежинки имеют шестигранную форму?

Снежинки всегда вызывают восторг и удивление своей красотой и уникальностью. Узнайте, почему снежинки имеют шестигранную форму и какова структура молекулы воды. Читайте на NOCFN.

Снежинки всегда вызывают восторг и удивление своей красотой и уникальностью. Они обладают сложной симметричной структурой, состоящей из кристалликов льда, собранных вместе. Одним из самых интересных вопросов, связанных со снежинками, является причина их шестигранной формы.

Структура молекулы воды

Для понимания причины шестигранной формы снежинок необходимо анализировать структуру кристаллической воды - льда. Молекула воды состоит из атомов кислорода и водорода, связанных между собой электронными парными связями. У атома кислорода больше электронов, чем у атома водорода, что приводит к образованию полярных ковалентных связей.

Из-за разницы в электроотрицательности атомов, электроны двух атомов водорода сдвигаются в сторону атома кислорода, создавая разность зарядов. Это приводит к появлению дипольного момента в молекуле воды, где положительный заряд сосредоточен в области ядер водорода, а отрицательный заряд - в области ядра кислорода.

Такая структура молекулы воды является базовой для образования кристаллической структуры льда.

Тетраэдры воды

Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, состоящие из пяти молекул Н2О, связанных между собой водородными связями. В каждой молекуле воды в простом тетраэдре сохраняется способность образовывать водородные связи.

Простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя разнообразные пространственные структуры.

Платоновы тела и гексагональная структура

Структура воды связана с платоновыми телами, такими как тетраэдр и додекаэдр, форма которых связана с золотым сечением. Молекула воды также имеет форму платонова тела - тетраэдра.

Среди множества структур в природе базовой является гексагональная (шестигранная) структура, в которой шесть молекул воды объединяются в кольцо. Такая структура характерна для льда, снега и талой воды.

Уникальность снежинок

Снежинки представляют собой сложные симметричные структуры, состоящие из кристалликов льда. Вариантов "сборки" снежинок множество, и до сих пор не удалось найти две одинаковые снежинки. Исследования, проведенные учеными, показали, что каждая снежинка рождается непохожей на другую, с уникальным рисунком.

Снежинки формируются в результате процесса замерзания влажности в атмосфере. Кристаллы льда начинают расти на большой высоте и превращаются в снежинки, постепенно нанизываясь друг на друга. Незначительные изменения в условиях окружающей среды, таких как влажность, температура и давление, могут изменить направление роста снежинки.

Свет, отражающийся от пограничных поверхностей между кристалликами льда и воздухом внутри снежинки, создает эффект белого цвета. Различные узоры на снежинках имеют правильную форму, так как пар стремится заполнить все свободное пространство, а разные поверхности влияют на направление роста кристаллов. Однако эти рисунки не сохраняют свою форму надолго, так как каждая снежинка тает, и узор пропадает навсегда.

Исследования снежинок

Снежинки вызывают интерес ученых уже долгое время. Известные натуралисты и фотографы, такие как Вильсон Бентли и Андрей Сигсон, посвятили свою жизнь изучению и фотографированию снежинок.

В конце XIX и начале XX века Вильсон Бентли получил более 5000 уникальных снимков снежинок под микроскопом. Он обнаружил, что невозможно найти две абсолютно одинаковые снежинки, каждая из которых представляет великолепный узор. Эта работа Вильсона Бентли подчеркнула уникальность и красоту снежных кристаллов.

Андрей Сигсон, российский фотограф, также сделал около 200 снимков снежинок, которые получили признание на многочисленных выставках.

Заключение

Таким образом, шестигранная форма снежинок обусловлена структурой молекулы воды и ее способностью образовывать тетраэдры. Гексагональная структура льда и снежинок является базовой в природе. Уникальность каждой снежинки обусловлена множеством факторов, таких как условия окружающей среды и процесс их формирования.

Что нам скажет Википедия?

«О шестиугольных снежинках» (лат. Strena, seu de nive sexangula) — небольшой трактат Иоганна Кеплера, посвящённый попытке ответить на вопрос о причине шестиугольной формы снежинок. Несмотря на то, что окончательного ответа на поставленный вопрос автор не даёт, данный труд оказал значительное влияние на развитие науки и считается исходной точкой в развитии кристаллографии.

Сразу установив, что причина этого явления не может происходить из свойств вещества, а является следствием действующих на него «начал», Кеплер переходит к анализу некоторых известных ему регулярных пространственных структур, встречающихся в природе, — пчелиные соты, зёрна граната и горошины в стручке, после чего он формулирует утверждение, известное в настоящее время как гипотеза Кеплера.

Эта гипотеза призвана объяснить плотное расположение зёрен в плоде граната, причиной же шестиугольной формы основания пчелиных сот является, по мнению Кеплера, то, что среди фигур, которыми можно замостить плоскость без зазора, у шестиугольника наибольшая площадь. Помимо геометрических, Кеплер находит и чисто природные причины для такой формы сот.

Учитывая изотропность пространства и высказанные выше соображения об упаковке шаров, Кеплер делает предположение, что в момент своего образования частицы снега расположены в кубическом порядке.

Тем не менее, почему лучей именно шесть, и как это связано с наличием шести направлений в телах животных, остаётся не ясным. Завершает свой труд Кеплер различными метафизическими соображениями о духе Земли, которые также не дают ответа, эмпирической классификацией снежинок и различными наблюдениями из области ботаники и минералогии, которые могли бы оказать помощь следующим поколениям учёных.