(Presentado en el Simposio de Ciencia 2016 de la Fundación Urantia)
Los copos de nieve son una cosa de la belleza. ¿Por qué los encontramos hermosos? ¿Y qué nos enseñan del mundo físico? Este artículo resumirá lo que sabemos acerca de los copos de nieve como científicos. También reconoceremos nuestro estado actual de ignorancia sobre este fenómeno.
Lo que las laminas de copos de nieve han jugado en nuestra historia es profundo. En la literatura, la poesía y la prosa, los copos de nieve son evocadores y convincentes instrumentos de descripción que encuentra resonancia inmediata con cualquier lector con o sin experiencia de nieve. En el arte encontramos el copo individual simétricamente calmante, apuntando a un orden que apreciamos y como nieve una estación y técnica de ajuste de humor. Teológicamente y filosóficamente es la materia de la nieve, el agua, que se utiliza simbólicamente para la vida y la muerte y muchas cosas en el medio en muchos sistemas de creencias y tradiciones. La contemplación de un copo de nieve puede conducir al observador en muchas avenidas; Algunos físicamente prácticos mientras que otros son imaginaciones juguetonas o románticas. Un copo de nieve tiene el potencial de enseñarnos mucho y tal vez nos inspire aún más.
"El agua es el material más estudiado en la Tierra, pero es notable encontrar que la ciencia detrás de su comportamiento y su función son tan poco comprendidos (o incluso ignorados), no sólo por la gente en general, sino también por los científicos que trabajan con ella todos los días. El agua está compuesta de dos átomos de hidrógeno, el elemento más omnipresente del universo, y un átomo de oxígeno, el elemento más abundante en nuestro planeta. La mayoría de los científicos probablemente clasificaría el agua, muy alta en la escala de moléculas maravillosas. El sitio web del Dr. Chaplin enumera setenta y tres propiedades anómalas del agua (1). Al examinar lo que se sabe sobre los dos gases, el hidrógeno y el oxígeno, por sí solo, es dudoso que la ciencia de hoy predeciera que el agua, un líquido, podría existir.
El agua tiene tres fases: sólida, líquida y vapor. Esta discusión se centrará en la transición de vapor a sólido (cristalino) fase-copos de nieve! El agua líquida congelada que cae del cielo es agua-nieve. Sólo cuando las nubes que contienen vapor de agua supersaturado (es decir, exceso de humedad al 100%) encuentran temperaturas de 0 ° C (32 ° F) que se forman copos de nieve.
La Figura 1 es un diagrama de la morfología (referido como el Diagrama de Nakaya, después de que el físico japonés
Ukichiro Nakaya) a menudo se encuentran en los libros y sitios web publicados por Kenneth G. Libbrecht,
Doctor en Filosofía. El Dr. Libbrecht es la antítesis del científico descrito por el Dr. Chaplin. El Dr. Libbrecht es también presidente del Departamento de Física del Instituto Tecnológico de California y la generosa fuente de gran parte de la ciencia de la información de copo de nieve presentada en este documento
(Ver Referencias).
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| Figura 1. |
Plates=Placa
Column= Columna
Los copos de nieve, aunque generalmente hexagonales (de seis caras), exhiben una variedad de morfologías: armadas, ramificadas o facetadas. La morfología final del copo de nieve comienza con una molécula del agua. El agua es una de las moléculas más estables conocidas. La estabilidad se debe a lo que cada elemento, oxígeno e hidrógeno, aporta a la molécula. La teoría orbital de electrones describe cómo los pares de electrones orbitan alrededor del núcleo de un átomo. La primera órbita puede contener al máximo dos electrones, un par. Tener dos electrones en el primer orbital proporciona estabilidad, pero el hidrógeno sólo tiene uno. El oxígeno tiene ocho electrones: dos en su primer orbital y seis en el segundo orbital. Pero el segundo orbital puede contener ocho electrones para una estabilidad máxima. Así que cuando un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno se unen, o un enlace, cada hidrógeno tiene ahora dos electrones en su primera concha orbital compartiendo un par de electrones con el oxígeno. El oxígeno tiene ahora un total de ocho electrones en la segunda concha orbital debido a este compartir con los dos átomos de hidrógeno. Este reparto de pares de electrones se denomina enlace químico covalente.
En H2O, sólo dos de los seis electrones de capa externa de oxígeno se utilizan para este intercambio, dejando cuatro, electrones no compartidos, que se organizan en dos pares no vinculantes.
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| Figura 2. Dibujo denominado estructura de punto de Lewis. Cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua. Las líneas continuas (c) representan el enlace químico covalente. |
Los cuatro pares de electrones que rodean el oxígeno tienden a disponerse lo más alejados posible entre sí para minimizar las repulsiones entre estas nubes de carga negativa. Esto normalmente daría lugar a una geometría tetraédrica en la que el ángulo entre los pares de electrones (y por lo tanto el ángulo de enlace H-O-H) es 109,5 °. Sin embargo, debido a que los dos pares no unidos permanecen más cerca del átomo de oxígeno (porque no están "compartiendo"), éstos ejercen una repulsión más fuerte contra los dos pares de enlaces covalentes, empujando eficazmente a los dos átomos de hidrógeno más próximos. El resultado es una disposición tetraédrica distorsionada en la que el ángulo H-O-H es 104,5 °. (3)
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| Figura 3. Aunque la molécula de agua carece de carga eléctrica neta, sus ocho electrones no se distribuyen uniformemente; Hay un poco más de carga negativa (púrpura) en el extremo de oxígeno de la molécula, y una carga positiva de compensación (verde) en el extremo de hidrógeno. La polaridad resultante es en gran parte responsable de las propiedades únicas del agua.
La polaridad de la molécula de agua (más positiva en el lado del hidrógeno, más negativa en el lado del oxígeno) permite que las moléculas de agua se atraigan el uno al otro - los opuestos se atraen. Este tipo de atracción es un tipo muy débil de enlace químico conocido como enlace de hidrógeno y esto es lo que produce la simetría hexagonal como se ve en la Figura 4.
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| Figura 4 |
Traducción de Figura 4:
- El agua tiene muchas diversas formas cristalinas; El hielo hexagonal es el más común.
El hielo hexagonal forma un enrejado regular, y tiene una entropía baja.
- El hielo hexagonal tiene menor densidad que el agua líquida; El hielo flota.
Traduccion de Figura 5A
Basal Facet=faceta basal
Prism Facet=faceta prisma
Al examinar las imágenes de copos de nieve se puede observar el prisma hexagonal que fue el origen de la escama. Algunos son sutiles, pero muchos son muy obvios. Algunos ejemplos se muestran en la Figura 6.
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| Figura 6. Fotografías usando luces de colores para resaltar los bordes para una mejor visualización. |
Continua...
Fuente: http://www.urantia.org/study/seminar-presentations/crystallization-water-vapor-what-may-we-discern-snowflake
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