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【国际部•教师科普】畅谈雪花

*此文为科普文,其中有部分内容借鉴相关书籍、资料

 

近日,传来一则神奇的喜讯——南方大部分地区都降雪啦!

雪花对于长期在阳光雨露之下成长的南方的孩子来说是新鲜的。同学们热烈地讨论着,甚至还存在着小小的期盼与幻想:广州会不会也有机会下雪呢?如果真有那么一天,我们一定要打雪仗堆雪人!





不过,这漫天飞舞的雪花这么好看,它究竟是如何形成的呢?这其中就涉及到很多化学知识。

雪花是一种美丽的晶体,又名未央花和六出,是由雪晶互相碰并、粘合和钩连在一起而形成的雪晶聚合物。目前,已知的雪花形状大约有两万多种,可以说是形形色色,绚丽多姿。




雪花的形成,首先要具备两个条件:一是水汽饱和,另一个条件就是空气里必须有凝结核。只有空气中的水蒸气附在凝结核上凝聚成水滴,才能形成降雨和降雪。

凝结核(condensation nuclei),是物质由气态转化为液态或固态,或由液态转化为固态的凝结过程中,起凝结核心作用的颗粒。这些颗粒对水分子格外具有“吸引力”,在水汽接近饱和的空气中,水分子遇上它们,便会附着上去,并迅速聚集起来,凝结成小水滴。所以说,我们看到的雪花其实都是有“核”的。

 

雪花的形状基本上以六角形为主,如六角枝状、六角片状等,由它们变化而来的雪花也多呈现出“六角”的特征。古人很早就发现雪花呈现六边形,所谓“草木之花多五出,独雪花六出”。那么,这是什么原因形成的呢?

这主要是和水的结晶习性有关。当水结成冰的时候,由于水分子中的氢键作用,会有序排列形成具有一定刚性的六方形晶体结构。天然水冻结的冰和大气中水汽凝华结晶的雪,都属于六方晶系。其实,六方晶系就像是几何学上的一个正六面柱体。当水汽凝华结晶的时候,如果主晶轴比其它三个辅轴发育缓慢,并且较短,那么,雪的形状就成为六角形雪片;要是主晶轴发育很快,延伸较长,那么,雪的形状就成为一个六个侧面,一个上面和一个下面的六棱柱体。

正是由于水分子通过化学键结合成六边形的网状结构。随着气温的降低,新生的分支尖端开始变窄,并出现侧向分支。冰晶遭受了交替的冷暖气流,就会出现更多的分支,这时晶体变得又长又细。当晶体降落到更暖和的空气中,就不再生长,尖端却越来越宽阔,最终形成了六瓣雪花的形态。



雪花——这冬日飞舞的精灵,呈现出千姿百态、瞬息万变的美丽景象。

 

不过,在北方银装素裹的精致固然美丽,却也为交通带来了不便。于是,人们通常会将融雪剂撒在路面上以除冰除雪。那么融雪剂究竟是什么物质?它又是如何实现融雪化冰的呢?

融雪剂,主要成份是醋酸钾和氯盐等化学品。当它溶于水后,相对来说,水中离子浓度会上升,从而使水的液相蒸气压比饱和时的蒸汽压降低,但冰的固态蒸气压不变。为了使冰水混和物固液蒸气压相等,冰就开始融化了,其本质就是使冰雪的熔点降低。

目前,融雪剂主要分为两大类:一类是以“氯盐”为主要成分的无机融雪剂,也叫“化冰盐”,如氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)、氯化钾(KCl)等。其中最常用的就是是氯化钠(即工业盐),其价格便宜,使用方便。但是,由于盐类遇水发生盐涨现象,会破坏道路路基;另外,由于盐类融雪剂和路基上的铁等金属形成原电池,也会加快路面破损;而且,“氯盐”还会增加道路两旁农田的盐碱性,造成植被难以生长。

另一类融雪剂,则是以醋酸钾为主要成分的有机融雪剂,这类融雪剂融雪效果好,基本不会造成腐蚀损害, 但其成本价格较高,一般只用于机场、高尔夫球场等重要场所。

一片小小的雪花,竟凝聚了如此众多的化学知识。这正应了那句诗:“一粒沙里看世界,半瓣花上说人情”。也许,化学的魅力正是体现在这些细微之处,生活之中。

【文/国际部 顾雪雅老师】

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