雪花为什么会形成六边形结构?

Question

我们知道雪花会形成漂亮的六角形结构。下图显示了各种可能的结构(尽管不是一个详尽的列表):

雪花形成这些令人愉快的对称六边形结构的机制是什么?还有，不同雪花形状各异的机理是什么?

Answer 1

冰以多种形式生长。正如在另一个答案中提到的，我们要观察的所有冰都是冰Ih，但也有许多其他形式。请看水的相图:

_{图片由Cmglee在维基百科}

不同的冰形成不同的晶体形状。冰Ih生长六角形晶体，在某些情况下，你可以发现三角形和立方的冰晶。六角形是水分子形成固体晶格时键角的结果。

这个相图表明，我们将在0摄氏度到-100摄氏度之间经历冰Ih，整个对流层压力。这种冰晶是六角形的，但在这种晶体形式中有许多晶体生长的冰习性。

_{图片使用自气象杂志，AMS}

该图的轴是关于冰的过饱和($e/e_{si} > 1$)和温度。所有这些晶体都是六角形的，但有些是细长的六角形棱镜，有些是非常薄而宽的六角形板。雪花是一种枝晶，这些晶体生长在-10到-22摄氏度之间，相对于液态水的过饱和。

六角形晶体有6个顶点连接它的6条边。这些顶点产生了增加的蒸汽梯度(事实上，角度越尖锐，蒸汽梯度就越强)。在高过饱和时，蒸汽迅速沉积在增强的蒸汽梯度区域和枝晶形态的臂部。枝晶的特殊形状很大程度上取决于它所经历的蒸汽梯度，而蒸汽梯度又受到其当前形状和生长环境的强烈影响。

引用:

• 兰姆，D.和Verlinde, H.， 2011:单个冰晶的蒸汽生长。云的物理化学“，。剑桥大学出版社，第8.3章，342-369。

Answer 2

H₂地球上的O冰以一种叫做“ice - ih”的六边形结构结晶。结构取决于H的偶极子性质₂O-molecules。与水对离子的作用类似，晶体结构依赖于偶极子在能量上的有利排列。在Ice-Ih中，最有利的排列是一个负偶极子(氧)向内(或多或少)的平面六方环。同一平面上的相邻环和上下平面上的环是由氢键(两个氢的正偶极子)连接在一起的。(见:六方冰(冰Ih)）.

雪花各不相同，因为晶体的生长是动态的。当一个晶面生长时，另一个晶面容易溶解。当雪花在空气中飘动时，温度和湿度总是在变化。这有额外的影响，有时晶体成核和有时晶体生长(在不同温度下能量有利)是活跃的。当雪花落下时，同样的动态仍在继续。晶体与液态水和湿度竞争H₂O-molecules。甚至晶体的表面也会相互竞争，例如内部的分子溶解和外部的结晶。因为没有哪一片雪花在相同的历史中经历了相同的条件，所以每一片看起来都有点不同(这并不奇怪，因为实际上也不是两片锆石看起来相似的晶体，或者看起来相似的两朵花，等等……)

Answer 3

为了补充Spießbürger和casey的精彩回答，氢化学键是雪花呈六边形的原因。他被影射了，但我认为还需要更多的推断。

www.physicsofmatter.com

上图显示了一个氧气与两个氢原子(水)成键的原子。出于我们的目的，我们可以称这些为共价键，尽管氢键倾向于，在某些情况下(尤其是水)具有特殊的性质，使其与其他共价键不同。这个键的结果是氧原子附近带一点负电荷氢原子附近带一点正电荷。

接下来发生的是两个水分子会以一种特定的方式形成，这与它们的电荷有关:

www.doublexscience.org

你看，正如Spießbürger提到的，水分子的偶极子使水分子形成上图中的形状，一遍又一遍地。这是自然发生的，因为当水结冰时，它会迫使分子靠得更近(但有趣的是，最终的结果是冰的密度小于液体形式)。随着这些分子的积累，你开始看到一个晶格:

www.doublexscience.org

晶格中的每个环都有六个面。每个点都是一个氧原子。每条边都是一个氢键和一个氧键。雪花，就是这种结合发生了很多很多次。

所以，虽然看起来不那么明显，但我们可以用高中/中学水平的化学来解释六边形结构的本质。

Answer 4

问题是“为什么雪花会形成六边形结构”。

我看到雪花是在一个扁平的立方面体的框架下。

Answer 5

当Neo的答案中的一个分子改变了一点方向，所有分子链就会移动。这可能会带来万花筒般的现象。