Все про лед

Словарь эрудита

Второе условие можно объяснить исходя из того, что атомы кислорода на верхней или нижней поверхности растущего кристалла имеют одну свободную водородную связь, направленную в окружающее пространство, а атомы кислоот прямоты первого ряда ничего не останется. Внешний ряд будет ломаным.

Рост кристалла имеет наибольшую скорость в углах шестиугольника. Если мы представим себе кольцо воды вокруг шестиугольного кристалла, то поймем, что молекулам воды проще и быстрее добраться до углов, к тому же это Что такое: холодное, влажное и имеет шесть рук? Ответ может быть перед вами, или под вашими ногами, или на дне бокала.

Давайте вместе проделаем настоящий научный эксперимент. Возьмем алюминиевый или пластмассовый поднос, разделенный на ячейки, и заполним их водой. Положим его в морозильник и подождем несколько часов. Вытащим и постучим подносом по твердой поверхности. Результат — кубики льда. Но как же вода стала льдом?

Очевидно, это смогло произойти только при отрицательной температуре. Если вы достанете поднос из холодильника слишком рано, то увидите не растущий куб, а корку льда с водой под ней. Охлаждаясь, граница льда опускается.

Но любое исследование льда необходимо начать с молекулы воды, как известно, состоящей из одного атома кислорода, соединенного с двумя атомами водорода. Кислород сильнее притягивает электроны, и поэтому он приобретает незначительный отрицательный заряд, в то время как водород — незначительный положительный. Молекула воды притягивается к окружающим, так как положительно заряженный водород из одной молекулы притягивается к отрицательно заряженному кислороду из другой.

Эти связи между молекурами, называемые водородными связями, частично определяют свойства воды и льда. В воде молекулы постоянно сталкиваются, разрушая эти слабые межмолекулярные связи. С понижением температуры водородные связи нарушаются все меньше и меньше.

Но это не все. В твердом состоянии вода становится кристаллом, подобно алмазу или соли. Особенно хорошо это видно на примере снежинок с их шестилучевой симметрией. Впервые проблема этой симметрии была поднята немецким астрономом Иоганном Кеплером в 1611 году. Он не знал, что снег — это кристаллы, полагая, что это — совокупность шаров сконденсированного пара.

Его работы были первыми, где обращалось внимание на связь между симметричными природными структурами и проблемой максимального заполнения пространства. Кеплер понимал, что наиболее эффективный способ заполнения — правильные шестиугольники, но не мог доказать, что шестилучевые снежинки формируются по этому принципу.

Появление микроскопов подтолкнуло изучение снежных кристаллов, но, к сожалению, их симметрия оставалась непознанной.

В 1880 году 15-летнему Уилсону Бентли из Вермонта подарили на день рождения микроскоп. И он начал фотографировать снежинки. Через полвека вышла книга с 2500 микрофотографиями. На каждой был изображен уникальный, но обязательно шестилучевой симметричный кристалл.

За два года до выхода этой книги использование Хлучевой дифракции помогло окончательно понять структуру молекулы воды. Кеплер был недалек от истины. Оказалось, что каждая молекула окружена в пространстве четырьмя другими. В плоскости же атомы кислорода находятрода на боковых сторонах — две такие связи. На преодоление одной связи надо затрачивать меньше энергии, чем на две. Таким образом, чем больше верхняя и нижняя поверхности кристалла, тем меньше энергии тратит кристалл на поддержание границы между льдом и окружающей водой.

требует меньшее количество энергии. Уникальность же каждого кристалла объясняется тем, что атмосферные услоРоджер ДЭВИ, Давид СТЭНЛИ ся в вершинах шестиугольников.

Но Кеплер не знал, как образуется снежный кристалл. Для того чтобы понять это, необходимо было знать, что форма растущего кристалла зависит от трех условий: 1) симметрии кристаллической структуры; 2) необходимости минимизации энергии построения поверхносотсюда следует третье условие: когда новый слой льда формируется на боковых поверхностях кристаллов, это энергетически выгоднее. Таким образом, боковые стороны растут быстрее, и кристалл принимает вид шестиугольной пластины. Но как же из шестиугольника образуется звезда?

Если кристалл большой или слишком быстро растет, то поверхность становится неровной. Часто это касается кристаллов, растущих в воде: вокруг кристалла много молекул воды — «строительного материала». Если же кристалл образуется в воздухе, когда вокруг только пар и влажность воздуха низкая, то скорость роста очень мала и кристалл развивается, как пластинки или столбики с очень плоскими углами.

Представим более наглядно. Допустим, надо заполнить центр футбольного поля людьми. Сначала поставим плечом к плечу первый ряд. Откроем ворота и скажем, что необходимо становиться так, чтобы сохранить порядок, уже существующий. Если мы будем запускать по одному человеку, то это легко сделать. Но если к центру поля повалит толпа, то вия всегда незначительно отличаются и кольцо воды вокруг растущего кристалла каждый раз немного другое. На рисунках 1, 2, 3 показана компьютерная модель превращения кристалла из шестиугольной пластины в звезду.

Форма кристалла может отразиться на вашей лыжной прогулке. Если снежинки имеют форму плоского шестиугольника, то силы сцепления между кристаллами очень малы, и создаются хорошие условия для лавин. Так что вместе с лыжами берите микроскоп!

Снежные кристаллы, такие безжизненные на земле, могут давать прекрасные эффекты, будучи во взвешенном состоянии в воздухе. Например, такое явление, как «гало», — белые круги, пятна, дуги, наблюдаемые около Солнца или Луны, — непосредственно связано с шестиугольной симметрией льда. Причина: параллельные лучи света, проходя через противоположные стороны кристалла, отражаются под углом 22 градуса. Именно таково угловое расстояние гало от Солнца или Луны.

Падая, снежинки стремятся сохранить определенную ориентацию: кристаллы-пластины падают с горизонтальным направлением шестиугольников, а кристаллы-столбики — с вертикальным. Поэтому первые образуют гало с обеих боков от Луны (Солнца), а вторые сверху и снизу от нее.

Водородные связи в молекуле воды обуславливают еще одно качество льда: если к нему приложена значительная сила, он может течь — как ледник, например. Это вызвано тем, что кристаллы состоят из параллельных слоев: водородные связи внутри одного слоя сильнее, чем между ними.

Когда вода замерзает, водородные связи «раздвигают» молекулы. Поэтому плотность льда равна 0,92 от плотности воды, и он плавает. Это очень необычное свойство для природы. Правда, возможно такое увеличение давления, когда водородные связи разрушаются и лед тонет — его плотность становится равной 1,17. Если бы весь лед был таким тяжелым, то айсберги лежали бы на дне океанов и «Титаник» бороздил океан. Правда, плохо то, что моря, озера и реки замерзали бы снизу, а не сверху, и не было бы белых медведей и коньков. По счастью, этого не произойдет, так как для образования тяжелого льда требуется давление в 2000 атмосфер.

А пока... Американский исследователь Грег Фаи обнаружил, что при определенном сочтении давления и некоторых химических веществ воду можно охладить до минус 125 градусов по Цельсию и она превратится не в лед, а в «стекло» — аморфное вещество. При этом можно уменьшить ущерб живым тканям, сохраняя их в замороженном виде (обычно кристаллы льда разрушают клетки).

Так что давайте положим на дно бокала немного льда, нальем вино и поднимем тост за удивительную природу твердой воды.

«New Scientist» Перевод Татьяны КУЗНЕЦОВОЙ