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【国际部•教师科普】畅谈雪花

*此(ci)文为科普文,其中(zhong)有部分内容借鉴相关书籍(ji)、资料

 

近(jin)日,传来(lai)一则神奇的喜讯——南方(fang)大部(bu)分地区都降雪啦!

雪(xue)花(hua)对于长期(qi)在阳光雨露之(zhi)下(xia)成长的(de)南方的(de)孩子来说是新(xin)鲜的(de)。同(tong)学们(men)热烈地讨论(lun)着,甚至还存在着小小的(de)期(qi)盼与幻想(xiang):广州会(hui)不会(hui)也有机会(hui)下(xia)雪(xue)呢?如果真有那么一天,我们(men)一定要打(da)雪(xue)仗堆雪(xue)人!





不过,这漫(man)天飞(fei)舞的雪花这么好看,它究(jiu)竟(jing)是如何形成的呢?这其中就涉(she)及到很多化学知识。

雪(xue)(xue)花是(shi)一种美丽的(de)晶(jing)体(ti),又名(ming)未央花和六出,是(shi)由(you)雪(xue)(xue)晶(jing)互(hu)相碰并(bing)、粘合(he)和钩(gou)连在一起而(er)形成的(de)雪(xue)(xue)晶(jing)聚合(he)物。目前,已知的(de)雪(xue)(xue)花形状大约有两万多种,可(ke)以说(shuo)是(shi)形形色(se)(se)色(se)(se),绚丽多姿。




雪花的(de)形(xing)成(cheng),首先要(yao)具备两(liang)个条件(jian):一是水汽饱(bao)和,另一个条件(jian)就(jiu)是空气里必须有凝(ning)(ning)结核(he)。只有空气中的(de)水蒸气附在凝(ning)(ning)结核(he)上凝(ning)(ning)聚成(cheng)水滴,才能形(xing)成(cheng)降雨和降雪。

凝(ning)结(jie)(jie)核(condensation nuclei),是物质由气(qi)态(tai)(tai)转化为(wei)液态(tai)(tai)或固态(tai)(tai),或由液态(tai)(tai)转化为(wei)固态(tai)(tai)的(de)(de)凝(ning)结(jie)(jie)过程(cheng)中(zhong),起(qi)凝(ning)结(jie)(jie)核心(xin)作用的(de)(de)颗粒。这些颗粒对水分子格外具有“吸引力”,在水汽接近饱(bao)和的(de)(de)空气(qi)中(zhong),水分子遇上(shang)它(ta)们(men),便会(hui)附着上(shang)去,并(bing)迅速聚集起(qi)来(lai),凝(ning)结(jie)(jie)成小水滴。所以说,我们(men)看到的(de)(de)雪花其实都(dou)是有“核”的(de)(de)。

 

雪花(hua)(hua)的形(xing)状基本上以六(liu)(liu)角形(xing)为主,如六(liu)(liu)角枝状、六(liu)(liu)角片状等,由它们变化而来的雪花(hua)(hua)也多呈现出“六(liu)(liu)角”的特征。古人很早就(jiu)发现雪花(hua)(hua)呈现六(liu)(liu)边形(xing),所谓“草(cao)木之花(hua)(hua)多五出,独雪花(hua)(hua)六(liu)(liu)出”。那么,这是什么原因形(xing)成的呢?

这主(zhu)(zhu)要(yao)是(shi)和(he)(he)水的(de)(de)结(jie)晶(jing)习性(xing)有关。当(dang)水结(jie)成冰的(de)(de)时候(hou),由于水分子中的(de)(de)氢键作用,会(hui)有序(xu)排(pai)列形成具有一(yi)(yi)定刚(gang)性(xing)的(de)(de)六方形晶(jing)体结(jie)构(gou)。天(tian)然(ran)水冻结(jie)的(de)(de)冰和(he)(he)大气中水汽凝华结(jie)晶(jing)的(de)(de)雪(xue),都属(shu)于六方晶(jing)系。其实,六方晶(jing)系就(jiu)像是(shi)几(ji)何学上(shang)的(de)(de)一(yi)(yi)个(ge)(ge)正六面柱体。当(dang)水汽凝华结(jie)晶(jing)的(de)(de)时候(hou),如果主(zhu)(zhu)晶(jing)轴(zhou)比其它三个(ge)(ge)辅轴(zhou)发育(yu)缓慢,并(bing)且较短,那么,雪(xue)的(de)(de)形状就(jiu)成为六角(jiao)形雪(xue)片;要(yao)是(shi)主(zhu)(zhu)晶(jing)轴(zhou)发育(yu)很快,延伸较长(zhang),那么,雪(xue)的(de)(de)形状就(jiu)成为一(yi)(yi)个(ge)(ge)六个(ge)(ge)侧面,一(yi)(yi)个(ge)(ge)上(shang)面和(he)(he)一(yi)(yi)个(ge)(ge)下面的(de)(de)六棱柱体。

正(zheng)是由于(yu)水分(fen)子(zi)通过化学(xue)键结合(he)成六(liu)边形的(de)网状结构。随着气温的(de)降(jiang)低,新(xin)生的(de)分(fen)支尖端(duan)开始变窄,并出(chu)现侧向(xiang)分(fen)支。冰(bing)晶遭受(shou)了(le)交替的(de)冷暖气流,就会出(chu)现更多的(de)分(fen)支,这(zhei)时晶体变得又(you)(you)长又(you)(you)细。当晶体降(jiang)落到更暖和的(de)空气中,就不再生长,尖端(duan)却越来越宽(kuan)阔,最终形成了(le)六(liu)瓣雪花的(de)形态。



雪花——这冬日飞舞(wu)的精灵(ling),呈现出千姿百态、瞬息(xi)万(wan)变的美(mei)丽景(jing)象。

 

不过,在北(bei)方银装素裹的(de)精致固(gu)然美丽,却也(ye)为(wei)交通带来了不便。于是,人们通常(chang)会将(jiang)融(rong)雪(xue)(xue)剂(ji)撒(sa)在路面(mian)上以除冰除雪(xue)(xue)。那么融(rong)雪(xue)(xue)剂(ji)究(jiu)竟是什么物质?它又是如何(he)实现融(rong)雪(xue)(xue)化冰的(de)呢?

融雪剂,主要(yao)成份是醋酸钾和氯盐等(deng)化学品(pin)。当它(ta)溶于水(shui)后,相(xiang)对来说,水(shui)中离(li)子浓度会上升,从而使(shi)(shi)(shi)水(shui)的(de)液相(xiang)蒸气压(ya)比饱和时的(de)蒸汽压(ya)降低,但冰的(de)固(gu)态蒸气压(ya)不变。为了使(shi)(shi)(shi)冰水(shui)混和物(wu)固(gu)液蒸气压(ya)相(xiang)等(deng),冰就(jiu)开始融化了,其(qi)本质(zhi)就(jiu)是使(shi)(shi)(shi)冰雪的(de)熔点(dian)降低。

目前,融雪剂主(zhu)要分为(wei)两(liang)大类:一类是以(yi)“氯(lv)(lv)盐(yan)(yan)”为(wei)主(zhu)要成分的(de)(de)无机融雪剂,也(ye)叫(jiao)“化(hua)冰盐(yan)(yan)”,如氯(lv)(lv)化(hua)钠(NaCl)、氯(lv)(lv)化(hua)钙(CaCl2)、氯(lv)(lv)化(hua)镁(MgCl2)、氯(lv)(lv)化(hua)钾(KCl)等。其中最常用的(de)(de)就是是氯(lv)(lv)化(hua)钠(即工(gong)业盐(yan)(yan)),其价格便宜,使用方便。但是,由于盐(yan)(yan)类遇水发(fa)生(sheng)盐(yan)(yan)涨现象,会破坏(huai)道(dao)路(lu)路(lu)基;另外,由于盐(yan)(yan)类融雪剂和路(lu)基上的(de)(de)铁等金属(shu)形成原电池,也(ye)会加快路(lu)面破损;而且,“氯(lv)(lv)盐(yan)(yan)”还会增加道(dao)路(lu)两(liang)旁农(nong)田的(de)(de)盐(yan)(yan)碱性,造成植(zhi)被难以(yi)生(sheng)长(zhang)。

另(ling)一类融雪剂(ji),则是(shi)以醋(cu)酸钾为主要(yao)成分的有机(ji)融雪剂(ji),这类融雪剂(ji)融雪效果好,基本(ben)不会造成腐蚀(shi)损(sun)害, 但其成本(ben)价格较高(gao),一般(ban)只(zhi)用于机(ji)场(chang)、高(gao)尔夫球场(chang)等重要(yao)场(chang)所。

一片小小的雪(xue)花,竟凝聚了如此众多的化(hua)学知识。这正应了那句(ju)诗:“一粒(li)沙里看(kan)世界,半瓣(ban)花上说人情”。也许,化(hua)学的魅力正是体(ti)现在这些(xie)细微之(zhi)处,生活之(zhi)中。

【文/国际部 顾雪雅老师(shi)】

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