雪花是美的奇迹，人们无法看到并仰慕这种美是无比遗憾的事。每一片都是绝作，并无备份，一朵晶莹的雪花消融，一份独特的设计就将再不为人们所见。美这样逝去，不留下半点足迹。

——威尔逊·本特利 [美国雪花晶体摄影师]

是什么造就了雪花的美丽

对于雪花，很多人在孩童的时候就不止一次观察过：那洁白无瑕的颜色，那晶莹剔透的状态，那规则有序的形状和那飘飘洒洒的身姿无不给人一种美的享受。每每看到雪花纷飞飘落，我的耳边就回响起韩雪演唱歌曲《飘雪》：“忧郁的一片天，飘着纷飞的雪……雪花像绽放的礼花，天地间肆意地飘洒……伸出手像露珠一样的冰雪，那瞬间的落花仿佛在，记得你和我的爱情童话。”科学家们也不乏对雪花的赞美，只不过比我们要更进一步的是，科学家还能够对美丽雪花背后的原因给出较为本质的回答，让这种美不再神秘，不再不可捉摸。上图是我从汽车上拍摄到的雪花的形状，若不是这样仔细地去观察，你很容易忽视它的规则之美。

科学故事

科学家对雪花的研究可以追溯到17世纪。据说那是在1611年的圣诞节，穷困潦倒的开普勒徜徉街头。开普勒就是在那不久之后以研究宇宙而闻名于世的德国大天文学家。当时的开普勒很是沮丧，已经好几个月没领到薪水的他正绞尽脑汁思考如何给朋友送上一份节日礼物。他看着漫天飞舞的雪花，甚是无奈地说：“啊，上帝！除了雪花之外，我还能送什么呢？”后来这位天才的科学家突发奇想：可以写一篇关于雪花形状的文章作为新年礼物送给朋友啊！于是这篇题为《论六角形雪花》的论文诞生了。几百年过去了，每当我们提到关于雪花形状的研究，都会首先联想到这篇源于贫寒与友情的学术论文。

不仅仅是天文学家注意到了雪花的形状之美，连大数学家笛卡儿都在自己的观察笔记中赞叹它：“完美的六边形啊！边是如此直，夹角是如此相等，粗手笨脚的人类简直没戏……我绝对想象不出来，这些完全对称的六角小精灵如何在自由的空气与狂躁的风中悠闲地降生。”既然美丽都已经如此昭然天下了，那如何对它展开科学系统的研究呢？为什么雪花会不约而同地选择六边形这种特殊的形状呢？要想解释清楚这个问题，我们必须从雪花的缔造者——水说起。

关于这个话题，我总是喜欢用“水的美丽与馈赠”来概括雪花的美丽与神奇。

雪花是水凝结成冰晶后再从天而降形成的，雪花的形状自然会与水分子的形状和聚集状态密切相关。经过现代化学结构理论研究可知：水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的，整个分子形成“V”型结构，键角（两个氢氧键之间的夹角）是104.5°。我们生活中接触到的水（液态）、冰（固态）和水蒸气（气态）都是由成千上万个数不胜数的这种角形分子所组成的。有人一定会感到奇怪：水分子这么小，化学家又是怎么知道它的形状的呢？键角为什么不能是180°或者90°呢？

其实，即使用最先进的显微镜也无法直接看到水分子的真实形状，化学家是先结合现代化学的分子结构理论进行形状的预测，然后再用相关的化学实验进行佐证，可以证实推测的正确或者证明推测的谬误，进而将错误改正，一步步地接近真理。在结构化学中预测分子理论的最重要方法是价电子对互斥理论，也常常被简称为VSEPR。简单来说，就是分子的结构取决于中心原子周围成键的价电子对数，价电子对要尽量远离以避免彼此的排斥。例如：中心原子周围只有两对价电子，两对价电子会相聚得最远而使分子形成直线型，这样的直线型分子有二氯化铍（BeCl2），如果有3对价电子则会形成平面三角形，这样的分子有三氟化硼（BF3）。最典型的例子是有4对成键价电子对的甲烷（CH4），为了让价电子对尽量远离，4个氢原子形成了正四面体的结构而非平面正方形的结构，这就是甲烷分子形成正四面体的一个重要原因。北京大学化学教授严宣申先生曾经用一个非常形象的比喻来表达我刚才的描述：把4个大小相同的气球的尾端绑在一起，它们会自然地伸展成正四面体的方向，如果你扎破一个气球，就自然形成了平面三角形的形状，再扎破一个就形成了直线形（如上右图所示）。这真的是直观而完美的比喻，看来微观的规律宏观化以后同样极富魅力！

水分子的形状如何用VSEPR来预测呢？过程还要稍微复杂一些。因为水中的氧原子不仅拥有两对成键电子对，还具有两对孤对电子，这两对孤对电子对于成键电子对也具有很强的排斥作用，使原本应该形成直线结构的分子最终被挤压成了“V”型结构。有孤对电子的VSEPR预测情况可以在上图中看到。上图中的短线代表成键电子对而云朵状代表孤对电子。

众所周知，科学的结论不能仅仅靠预测获得，还需要严密的实验来给予佐证。那么，我们怎样通过实验得知水分子是角形而不是直线型呢？下图显示的水流在电场中发生偏转的实验即可证明这一点。如果水分子是直线型的，那整个分子就属于完全对称的形状，化学上称之为非极性分子，在电场中就不会发生偏转；反之，如果是“V”型结构，就属于极性分子，在电场中由于电荷分布不均匀而产生偏转现象。我们所做的实验非常简单，大家在家里就可以独立完成。

动手空间

各位读者可以在家里找一个塑料勺子或者是吹好的气球，在自己的头发上反复摩擦几下，让勺子或者气球表面带电，而后迅速靠近非常细的水流，这时就能非常清楚地看到水流的偏转现象。用气球来做实验产生的偏转可能会更强，因为气球所产生的静电会更强一些。非常细的水流可以通过把水龙头的流量开得非常小而产生。本实验很轻松地证明了水分子是有极性的。

由于水分子中电荷分布不均匀，或者说因为它有极性，使得氢原子端带有一定程度的正电荷而氧原子端则带有一定程度负电荷，这样又使水分子之间因为这种极性的静电作用而产生作用力，把千千万万个水分子聚集在一起而形成液态和固态的水。之所以这里不提水蒸气，是因为气态水分子之间距离很远，作用力很小，基本可以忽略不计。正是因为固态水中的这种作用力使水在凝结成冰的时候，选择了特定的形状——六角形。具体原因是这样的：水分子之间的这种由于极性而产生的作用力叫作氢键，就是说这个水分子中的氢原子可以被其他水分子中的氧原子所吸引，同理这个水分子中的氧原子也可以吸引其他水分子中的氢。如下图所示，图中的虚线就代表了水分子之间的氢键。氢键是水分子之间一种相当强的作用力，这种

作用力第一个重要的影响就是使水的沸点反常地高（所谓反常，意思是元素周期表中与氧原子靠近的其他几个元素：N、F、S、P、Cl，它们的氢化物都是常温下的气体，而只有水是液体）。使水沸点升高的主要因素就是水气化时需要破坏很强的氢键作用力，消耗更多的能量，也就需要更高的温度了。

科学原理

常温下物质的状态可以从一定程度反映物质的沸点。固态物质的沸点最高，因为它们要经过升温先达到熔点液化后才能达到沸点而气化，因此沸点高；而液体只需升温达到沸点就可以气化，沸点较高；气体的沸点最低，因为它们的沸点在常温以下，需要降温才能变成液态。例如：常温下食盐是固体，酒精是液体，而二氧化碳是气体，它们的沸点依次为：1413℃、78.5℃、-78.5℃，很明显是依次降低的。

氢键的第2个重要影响就是方向性的选择。从上图中可以看出：氢键的作用方向不是平面的，而是按照正四面体方向去作用，这就使得1个水分子可以和就近的4个水分子产生氢键作用。每个水分子周围都有4个相互作用的水分子，照此方式无限扩展下去，就成了水和冰的结构。当水凝结成冰的时候，分子的振动和相对滑动都减少了，分子被基本上定格在空间网状四面体的顶点上，也就会使冰的水分子之间比液态水的分子之间产生了更大的空洞，这也就是冰比水轻的真正原因了。再仔细观察和思考，冰中的空隙究竟是什么形状的呢？四面体的顶点延伸下去正好形成了一个个六边形空隙，无数个六边形空隙就像蜜蜂的蜂巢一样紧紧排列在一起（如下图1所示），当水凝结成冰晶的时候，微观的分子形成了六边形空隙，而宏观上我们自然就看到了六角形的雪花。这里需要说明的一点是，化学上晶体的微观排列方式往往就能决定宏观晶体的形状，如果按照这样的理论，雪花应当是天然的六棱柱状才对。其实，形成雪花是气象学上的降水问题，大气的湿度是重要的先决条件，往往还没等形成六棱柱，边缘就会沾上一些杂质，这就是大家看到的形状各异却都是六角形的美丽雪花了。在南极地区，由于湿度和温度都符合要求，是可以看到水凝成的完美六棱柱状晶体的，我们称这种完美的“雪花”为雪晶（如下图2所示）。

到此为止，雪花为什么呈现六角形这个问题已经明确了：是因为形成雪花的水分子是“V”型结构，导致了水分子的极性，极性又使水分子之间产生了强烈的氢键作用，氢键作用力的四面体方向决定了冰晶中存在六边形空隙，这样的空隙使得水凝结成雪时选择了六棱柱状的凝结方式，低纬度地区较低的湿度和较高的温度决定了六角形雪花的诞生。从总体看来，氢键是水分子之间最重要的作用力，对于美丽雪花的形成功不可没。氢键还是生物化学中的一种非常重要的作用力，和生命体的遗传与生长密不可分，如DNA双螺旋中的碱基对就是依靠氢键作用来配对的，而组成生命体最基本的化学物质——蛋白质的肽链之间也是依靠氢键形成二级的α-螺旋结构的，我们的身体里面到处都有氢键的影子。

到底是什么造就了雪花的美丽？是水？是化学分子？是氢键？是冬天？是大自然？我想大家会有各自不同角度的回答。但有一点是必须注意到的：倘若没有美国著名的雪花晶体摄影师本特利的艰辛观察和拍摄，全世界的人们很难如此近距离地欣赏到雪花的无穷魅力。就让我们用他在冰天雪地里冒着被冻死的危险获得的美丽雪花来结束本节吧！