Ήρθαν και φέτος οι γιορτές των Χριστουγέννων! Μέρες χαράς για πολλούς, μέρες κατάνυξης για κάποιους άλλους, μέρες διακοπών για τους περισσότερους, όχι όμως και για τους επιστήμονες!:mrgreen: Ωστόσο, για να συνδυάσω το εορταστικό κλίμα με τη Χημεία (γιατί αν ισχυριστώ ότι η Χημεία κάνει την κάθε μέρα να είναι γιορτή, θα με πάρουν με τις ντομάτες μέχρι και συνάδελφοι), αυτές τις μέρες θα κάνω διάφορα ποστ που ασχολούνται με την επιστημονική πλευρά των Χριστουγέννων! Και επειδή μόλις έφαγα του σκασμού και δεν μπορώ καν να γράφω για τη χημεία των ζαχαρωτών ή του μελομακάρονου, θα ασχοληθώ με ένα από τα κλασικότερα trademarks του χειμώνα και των Χριστουγέννων: το χιόνι!😀

 

Πώς σχηματίζεται το χιόνι;

Το χιόνι σχηματίζεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όταν υπάρχουν σύννεφα που περιέχουν υδρατμούς. Οι υδρατμοί αυτοί συμπυκνώνονται λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών, οι οποίες κυμαίνονται κοντά στην περιοχή του σημείου πήξεως του νερού σε πάγο, δηλαδή κοντά στους 0 βαθμούς Κελσίου. Από τη συμπύκνωση αυτή μπορούν να παραχθούν απευθείας παγοκρύσταλλοι. Συνηθέστερα, όμως, οι υδρατμοί συμπυκνώνονται αρχικά σε μικρές σταγόνες γύρω από μικροσκοπικά σωματίδια όπως κόκκοι σκόνης, κόκκοι άμμου, ηφαιστειακή σκόνη, που υπάρχουν σε αφθονία μέσα στην ατμόσφαιρα (τα σωματίδια αυτά ονομάζονται πυρήνες συμπύκνωσης).  Στη συνέχεια λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών οι σταγόνες αυτές παγώνουν αμέσως, σχηματίζοντας τους παγοκρυστάλλους. Όσο περισσότεροι υδρατμοί συγκεντρώνονται πάνω σε κάθε παγοκρύσταλλο τόσο αυτός μεγαλώνει, βαραίνει και αρχίζει να πέφτει, ώστε συγκρούεται και επικολλάται σε άλλους παγοκρυστάλλους, σχηματίζοντας τελικά τις νιφάδες χιονιού!

 

Εκτός από τα σωματίδια σκόνης τα οποία περιέχει, το να τρώμε χιόνι που πέφτει από τον ουρανό δε συνίσταται και για άλλους λόγους

 

 

Κρυσταλλογραφία του χιονιού και η τελική μορφή του

Γενικά σε κάθε στερεό που βρίσκεται σε κρυσταλλική κατάσταση τα άτομά του διευθετούνται με υψηλή τάξη, ενώ τα στερεά αυτά εμφανίζουν περιοδικότητα και συμμετρία.

Λόγω της περιοδικότητας της κρυσταλλικής κατάστασης, μπορούμε να διαλέξουμε ένα γεωμετρικό σχήμα (με ανύσματα a,b,c και γωνίες α,β,γ μεταξύ των ανυσμάτων αυτών), το οποίο επαναλαμβανόμενο με τον ίδιο προσανατολισμό στις τρεις διαστάσεις μπορεί να παράγει το σύνολο του κρυσταλλικού υλικού. Το σχήμα αυτό ονομάζεται κυψελίδα. Αν και η κυψελίδα δεν έχει υλική υπόσταση, είναι ένα αρκετά βοηθητικό εργαλείο, αφού με διαφορετικούς συνδυασμούς των παραμέτρων της (δηλαδή τα ανύσματα a,b,c και τις γωνίες α,β,γ) παίρνουμε διαφορετικά παραλληλεπίπεδα, που μπορούν με παράθεση να φανερώσουν τη διάταξη ενός κρυστάλλου στις τρεις διαστάσεις. Ο κάθε δυνατός συνδυασμός των παραμέτρων της κυψελίδας αποτελεί και ένα κρυσταλλικό σύστημα.

 

Εφαρμόζοντας την παραπάνω θεωρία στην περίπτωσή μας, έχουμε τα εξής: Στις νιφάδες χιονιού περιέχονται κυρίως μόρια νερού που κρυσταλλώθηκαν. Έτσι τα άτομα  που συναντούμε είναι το οξυγόνο και το υδρογόνο. Μεταξύ των διαφόρων μορίων νερού σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές είναι σχετικά αδύναμες (πχ. σε σύγκριση με την ισχύ ενός ομοιοπολικού δεσμού), ωστόσο είναι αρκετά ισχυρές ώστε να δίνουν υψηλή τάξη στα άτομα, αλλά και συμμετρία στον κρύσταλλο!

Μια νιφάδα χιονιού εμφανίζει συμμετρία λόγω των δεσμών υδρογόνου όπως απεικονίζεται χονδρικά σε αυτό το σχήμα

Γενικά τα σχήματα των κρυστάλλων του χιονιού ανήκουν στο εξαγωνικό σύστημα, στο οποίο οι παράμετροι της κυψελίδας είναι οι εξής:

a = b ≠ c

α = β = 90°, γ = 120°

Η εξαγωνική κυψελίδα και οι παράμετροί της σχηματικά
Η εξαγωνική κυψελίδα και οι παράμετροί της σχηματικά

 

Βέβαια η τελική κρυσταλλική μορφή που θα αποκτήσει η κάθε νιφάδα εξαρτάται και από τις συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας που επικρατούν μέσα στον αέρα.

 

Σε θερμοκρασίες από 0 ως –5 βαθμούς Κελσίου παρατηρούμε κυρίως πεπλατυσμένους εξαγωνικούς κρυστάλλους.

Σε λίγο χαμηλότερες θερμοκρασίες οι νιφάδες έχουν τη μορφή βελόνας (needle crystals),

ενώ μεταξύ –10 και –20 βαθμών Κελσίου βλέπουμε τους λεγόμενους δενδρίτες, που είναι κρύσταλλοι με έξι κλάδους συμμετρικά ανεπτυγμένους. Είναι οι πιο όμορφοι κρύσταλλοι χιονιού και σίγουρα οι συνηθέστεροι στις φωτογραφίες που βρίσκει κανείς στο internet!

 

Ισχύει ότι δύο νιφάδες χιονιού δεν είναι ποτέ ίδιες;

Πέφτοντας προς το έδαφος, οι νιφάδες συναντούν διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες ενώ ταυτόχρονα συγκρούονται και ενώνονται μεταξύ τους. Εάν λάβουμε υπόψη μας και τη συχνή παρουσία των διάφορων σωματιδίων στις νιφάδες, καταλαβαίνουμε πόσο εύκολο είναι να προκληθούν τυχαίες αλλαγές και παραμορφώσεις στο σχήμα τους. Με τόσους πολλούς παράγοντες να επηρεάζουν την κρυστάλλωση και το τελικό σχήμα μιας νιφάδας, είναι όντως αρκετά απίθανο να δούμε ποτέ δύο ολόιδιες νιφάδες χιονιού.

Το ίδιο ισχυριζόταν και ο Wilson Bentley, ένας αγρότης από τις Η.Π.Α, ο οποίος το 1885 φωτογράφησε τον πρώτο του κρύσταλλο χιονιού, χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο στο οποίο είχε ενσωματώσει μια φωτογραφική μηχανή. Μέχρι το θάνατό του φωτογράφησε πάνω από 5.000 κρυστάλλους, αφήνοντας μια εξαιρετική κληρονομιά σε όλους, ειδικά σε εμάς τους κρυσταλλογράφους.😛

Φωτογραφίες του Bentley.

 

Κλείνοντας το ποστ, ορίστε μερικές πρόσφατες φωτογραφίες νιφάδων χιονιού από τον φωτογράφο Andrew Osokin. Την επόμενη φορά που θα παίξετε χιονοπόλεμο με κάποιον, θυμηθείτε τις ομορφιές που πετάτε στη φάτσα του..!:mrgreen:

 

Βιβλιογραφία

http://hotkoi.wordpress.com/2010/12/01/the-crystallography-of-snow/

http://www.chemist.gr/2012/02/6868/

http://www.humantouchofchemistry.com/discover-the-chemistry-behind-snow-flakes.htm

http://chemistry.about.com/od/moleculescompounds/a/snowflake.htm