どうして雪の結晶は六角形ベースなのでしょうか？

質問

雪の結晶は六角形をベースに様々な模様になっていますよね。
どういった規則性があってそうなるのでしょうか？

回答No.5

iapetus · ベストアンサー

既に正解回答が出た後のようなので、蛇足かもしれませんが、もうちょっと詳しく回答します。

「水分子」は、酸素原子１つに、104.45°の角度で水素原子が２つ結合した、「開いたコンパス」の形をした化合物です。
この、酸素１つと水素２つは、電子をそれぞれ１つづつ共有しているので、概ね「共有結合」という方式で結合することで、「水」という化合物を作っているのです。
共有結合なので、単純に考えると「水分子」は全体としては電気的に中性になっていて、余り他の物質と相互作用を持たないように見えるのですが、実際には隣にいる水分子や他の多くの物質とゆる～く結合することができます。

強固な共有結合と違い、この結合は切れやすく（「水素結合」といいます）、他の様々な物質同士の相互作用を複雑・多様化する要因のひとつになっていて、まるで新たな結合のための手のようであるため、「水素結合手」ともいいます。
原子１つ１つは、中心核の原子核と、その周囲にまるでぼんやりとした雲のように存在する電子から成っていて、化合物は、この電子を互いに交換（共有）することで原子同士が弾き合って構成されます。
また、酸素原子と水素原子では、電子を引き付ける力（電気陰性度）が約1.5倍ほど酸素の方が大きいので、水分子１つの中では、酸素の外側が電子が濃く、水素原子の外側の電子が薄くなります。
（↓その図解）
「水分子」をコンパスに例えると要の部分が赤く電子の濃いところ（電気的にマイナス）で、針やペン先に相当する水素の先端が青く電子の薄い所（電気的にプラス）になっています。
↓
http://www.ecosci.jp/bond/pnp3.gif

このように、水分子１つをミクロ的に観ると、場所によって電子の存在率が偏っていて、電気的に、電子の多い酸素の外側部分が相対的にマイナスに、また水素原子の外側が相対的にプラスに帯電したのと同じ状態になるのです。

そして、ひとつの水分子の水素の先端２つと、他の水分子の酸素の頂点とは、ゆるく結合する関係にあり、これを水素結合と言っています。
その力は余り強くなく、水は、温度による分子の振動の力が勝るため、常温で水は流体なのです。
↓しかし、水を冷却していき0℃以下になると、温度振動の力より水素結合が打ち勝って一斉に水分子は結合を始め、6個で正六角形を構成し、次々と周囲へ結晶として成長していきます。
　(http://ameblo.jp/tarakoero/entry-11790164752.html より画像参照)
http://ameblo.jp/tarakoero/image-11790164752-12867893737.html

そして、この正六角形がベースとなって結晶は周囲へと成長するため、上空から漂いながら成長する雪の結晶などは、概ね全方向に均一に成長することで、全体が正六角形をモチーフとしたものとなるのです。
雪の結晶の成長過程においては、上空の気温と湿度が大きく作用し、雪の結晶は、正六角形の平板状（板状だったり超複雑な花弁状だったり）、六角柱状、針状など、様々な形状を取ります。

雪の結晶の形状と、上空の大気状態（気温・湿度など）との大雑把な関係は、↓次を参照してください。
http://www.ccijp.co.jp/ametvi/02_osouji/osouji02.html
この雪の結晶の性質を利用して、結晶の形状から、上空の雪雲の状態を類推するのに使われたりします。

お礼

回答ありがとうございます。
水から雪への変化や、雪が六角形をベースに様々な形をしていることがよくわかりました。

回答No.4

windwald

天文学とは全く関係のない質問です。
適切なカテゴリ(今回は化学・地学・科学)を正しく選んでから質問すべきです。

水分子が六角形というのは間違いです。
http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/20903.html
水分子は「く」の字型をした分子で、その角度は104.5°です。
氷＝水の結晶ではそれが規則正しく整列していますが、
この整列も平面の六角形に整列しているわけではなく、
水分子の中心である酸素原子の並びを見れば正四面体形をしています。

これを"ある一方向から見れば"正六角形が並んでいるように"見える"のです。
http://nacsj.net/magazine/post_1152.html
そしてこれが六角形を基本にしているかのように見える雪の結晶の元になっています。

お礼

回答ありがとうございます。
ご指摘痛み入ります。

回答No.3

kamobedanjoh

玄武岩質の溶岩が自然冷却される時にも、6角柱を形成します。
個々の柱が最も丈夫に密集するには、円柱状が最適ですが、円柱が林立しても隣同士での接触面は最小になって仕舞います。
隣接する柱が互いに接触面を大きくすることで、全体として崩れにくくなっています。それには、6角形が最適なようです。
雪の結晶も、隣同士の氷片が結びつきを強めるために、6角結晶を形成する自然の摂理が働いて居ると思われます。
因みに、水晶も6角結晶を構成しています。

お礼

回答ありがとうございます。
溶岩の6角柱は見たことがありますね。
水晶の結晶も六角形なんですね。

回答No.2

TANUKIA

水は六角形です。
酸素は三つの水素と結合します。
水素は二つの酸素と結合します。

だから画像のように六角形になります。

お礼

回答ありがとうございます。
元々の水のつくりが酸素と水素なのでそれがくっつくと安定した形の六角形になるんですね。

回答No.1

mpascal

こちらに書かれています。

http://www.an.shimadzu.co.jp/support/science/020112/020112a.htm

お礼

回答ありがとうございます。
水素結合ですか。
島津製作所が解説していることにびっくりです。