Snøkrystaller

Fra mn/kjemi/kjemiportal
Hopp til: navigasjon, søk

Snøkrystaller

Innledning

Av Ola Nilsen, Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. [Hjemmeside]

Snokrystall-figur8.jpg

Vann er en forutsetning for liv på jorda, og i nesten alle situasjoner er vi omgitt av vann i en eller annen form. Vann er også den eneste forbindelsen vi alle kjenner i alle de tre aggregattilstandene: gass, væske og fast. Dessuten kan vann være vakkert, enten vi ser det som buldrende fosser, som stille sjøer eller, som vi skal se på her, i form av snøkrystaller.

Hver vinter dukker snøkrystallene opp, hvilket kan være til stor glede, men også forargelse. Ser vi nøye på dem ser vi at alle er forskjellige, men likevel med mange fellestrekk. Her skal vi se litt på hvorfor snøkrystallene er så like og likevel varierer så mye i form.


Hva er en krystall?

Snøkrystall Figur1.jpg


Fig. 1. Et ordnet indre fører også til en ordnet fasade. Dersom en krystall er bygget opp av heksagonale enheter vil en fasade slik som vist til høyre gi en lavere energi enn den til venstre. Den sistnevnte har en mye mer uordnet fasade.



Før vi ser nærmere på snøkrystallene bør vi se litt på hva en krystall er. Krystaller er faste forbindelser, men det er slett ikke alle faste forbindelser som er krystaller. Det som skiller krystaller fra andre forbindelser er at det eksisterer et indre ordnet mønster. Atomene eller molekylene som krystallen består av sitter i et regelmessig mønster. For å beskrive detaljene i en krystall så behøver en bare å beskrive den minste enheten som mønsteret består av og så beskrive hvordan disse enhetene er stablet. Dette blir omtrent på samme måte som med gulvfliser. Det finnes mange faste forbindelser hvor den indre oppbygningen ikke danner et ordnet mønster, to eksempler er glass og tre. En stein vil derimot ofte bestå av en mengde med små krystaller.

Et ordnet mønster gir en ordnet ”fasade”. Atomene/molekylene ordner seg i et regelmessig mønster fordi dette er en gunstig måte å spare energi på. På samme måte som systemet sparer energi ved at den indre strukturen ordnes, så sparer systemet også energi ved at overflaten danner et regelmessig mønster. Når overflaten er så ordnet som mulig vil krystallen få plane flater og spisse kanter. Dersom en krystall hadde hatt form som en kule, så ville store deler av overflaten hatt liten grad av orden, se Fig. 1. Den indre strukturen i krystallen er på denne måten med på å forme flatene som dannes. Fig. 1. Et ordnet indre fører også til en ordnet fasade. Dersom en krystall er bygget opp av heksagonale enheter vil en fasade slik som vist til høyre gi en lavere energi enn den til venstre. Den sistnevnte har en mye mer uordnet fasade.

Hvordan dannes snøkrystaller?

Snøkrystallen vokser når vann setter seg utenpå en allerede eksisterende krystall. På den måten kan de molekylene som allerede sitter i krystallen lede de nyankommne inn på rett plass slik at orden oppretholdes. Det å danne den første lille krystallen er ofte vanskelig fordi det mangler noe som kan fungere som en mal for hvordan vannmolekylene skal ordne seg. Den første krystallen vil derfor ofte dannes ved at vannmolekyler avsettes på faste forurensninger i luften. Dersom det ikke finnes partikler som vannmolekylene kan sette seg på må et stort antall vannmolekyler komme sammen og orientere seg som i en iskrystall. Sannsynligheten for at dette skal skje i ren atmosfære er så liten at selv om luften inneholder små væskedråper, vil disse først fryse til is når temperaturen blir – 40 °C. Krystalliseringen kan hjelpes ved å tilsette forurensinger, og spesielt virksomme er disse dersom de har et mønster som minner om iskrystallenes. For is fungerer dette fint ved å drysse ut pulver av sølvjodid over underkjølte skyer.

Når så den første lille krystallen er dannet, blir det neste spørsmålet hvorfor de vokser slik de gjør?

Det magiske tallet er seks

Alle snøkrystaller er ”seks-kantede”. Johannes Kepler (1611) prøvde i sin tid å forklare formen til snøkrystallene ut fra at de bestod av tett sammenpakkede bitte små iskuler (se Fig. 2a.). En slik pakking av små iskuler kan forklare hvorfor krystallene har sekskantet form, men vi vet nå at snøkrystallen ikke er bygget opp av små iskuler. I våre dager har vi byttet ut iskulene med små sekskantede prismer som er stablet tett inntil hverandre, se Fig. 2b. Iskrystallen består selvfølgelig ikke av slike prismer heller, men av vannmolekyler. Måten vannmolekylene er bundet sammen på er vist i Fig. 3. De danner sekskantede ringer som danner innmaten i prismene i Fig. 2b. At snøkrystallene blir sekskantede er nesten litt tilfeldig. Ved høyere trykk dannes is med annen symmetri enn den heksagonale vi er så kjennt med, og noen av de andre høytrykksformene ville kunne gitt firkantede snøkrystaller.

Dersom en krystall hadde bestått av så få prismer som den i Fig. 2b, ville den vært forsvinnende liten. Det er omtrent 1.300.000 prismer langs en enkelt arm på en snøkrystall som er 1 mm, og ikke 17 som i figuren.

Fig. 2. Til venstre vises en illustrasjon på hvordan Kepler tenkte seg at snøkrystallene er bygget opp ved pakking av kuler. Til høyre er den moderne modellen på oppbygning hvor kulene er byttet ut med sekskantede prismer. Dette er igjen en forenkling.