水结晶（水的温度降低后形成的固体）

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更新时间：2023-05-23
水结晶
水的温度降低后形成的固体
结晶：物质从液态（溶液或熔融状态）升华到气态时形成的晶体。
晶体，即原子、离子或分子按一定的空间次序排列而形成的固体。也叫结晶体。一般由纯物质生成，具有固定的熔点，旋光度。
水结晶是水（化学式：H₂O）温度降低到凝固点以下后（通常为零度，称为冰点）形成的固体，也就是冰。通过高倍显微镜（电镜）可以观察到水在某些苛刻情况下的单结晶体。雪、霜、和某些寒冷状态下雾，都是水的结晶体。相似环境下的水结晶体具有相似性。
基本信息
中文名
水结晶
外文名
waterof crystallization
包括2
寒冷状态下雾
液态
到气态时形成
包括1
雪、霜
观察仪器
高倍显微镜
类型
常见的自然现象
收起
现象描述
自然界中常见于寒冷的冬季，在温度较低时冻结的冰块、水雾在气温骤降时附着在树枝上形成的雾凇、过冷水从云层中落下碰到物体后形成的冻雨、云层自然凝结并结晶形成的雪花、冬季室内空气中的水汽遇到寒冷玻璃形成的霜花等等，都是液体水或者气体水在凝固点温度以下所凝固成晶体后的宏观结果。这是一种常见的自然现象。
产生机理
自然界中液体凝固成晶体的过程叫做结晶。水（H₂O）会在特定的环境下形成固体，水的固态——冰，一般是呈多晶体状态，虽然和晶体一样有固定的熔点，但有一些晶体特征它不具备，如各向异性和规则形状。由于冰不具备规则的质点排列形状，因此冰的微观形态是不固定的。从微观上看，水在温度降低到凝固点以下且有凝结核的情况下，会首先结晶成单晶，然后以单晶为凝结核继续结晶，形成形状各异的结晶（多晶）。受结晶时的温度、压力、杂质等很多因素的影响，水结晶（多晶）的微观形状各不相同。
研究历史
加州理工学院物理系主任Kenneth Lebbrecht在研究水结晶的过程中发现，水分子可以形成六角形的晶格结构，这些六角体有两个六角形的面和六个正方形的面。
（水分子可以通过有规律地排列形成晶体，图中红色的点代表氧原子）
如果晶体向两个六角形的面的方向生长，就会变成一个柱状晶体；而如果向六个正方形面的方向生长，则会形成一个片状的六边形晶体
晶体生长方向很大程度上决定晶体形状
（晶体的生长方向很大程度上决定了晶体的最终形状）
在此基础上，片状或柱状晶体还能长成更加复杂的结构，最终形成各式各样的雪花。
雪花的形成过程
（雪花的形成过程）
Kenneth Lebbrecht发现，温度和湿度是决定雪花形状的最重要的两个因素。如果结晶温度在-5℃到-10℃之间，晶体更容易形成柱状或是针状的结构。而在-15℃左右的情况下，水气倾向于结成片状的雪花。至于雪花的复杂程度，则和湿度有关。湿度越小，雪花的形状就越简单。
雪花的形状和温度以及湿度有关
（雪花的形状和温度以及湿度有关）