Почему снежинка шестиугольная
Сегодня первый день календарной зимы, и в Москве даже идет снег. Самое время поговорить о том, почему снежинка шестиугольная. Тут не все так просто.
На наши вопросы о кристалликах льда и не только ответил российский кристаллограф-теоретик Артем Оганов, профессор «Сколтеха», профессор РАН, член Европейской академии и действительный член (fellow) Королевского химического общества, Американского физического общества и Минералогического общества Америки.
— Чем объясняется форма снежинки? Почему она шестиугольная?
— Снежинка — это всего-навсего кристаллик льда. Кристаллическая структура льда имеет гексагональную (то есть шестиугольную) симметрию, проявлением которой и является шестиугольная форма снежинок. Такая же структура, как у льда, известна для гексагонального алмаза — лонсдейлита. В этой структуре каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода и сидит как бы в центре тетраэдра. Угол между связями в такой тетраэдрической конфигурации составляет 109°, что очень близко к углу в молекуле воды — 104°. В структуре льда вместо атомов углерода сидят молекулы воды. Атомы кислорода смотрят на другие четыре атома кислорода. В двух из четырех направлениях у этого кислорода свои атомы водорода. А в двух других этот атом кислорода своими неподеленными (несвязывающими) парами электронов смотрит на атомы водорода чужих молекул — это взаимодействие известно как водородная связь.
В кристаллической структуре льда существуют оси симметрии шестого порядка. К слову, это не простые оси шестого порядка, а винтовые, которые являются сочетанием поворота на 60° с частичным переносом вдоль оси.
— Поговорим про углы. В молекуле воды угол 104,5°. Соответственно, аппроксимировать природе было бы удобно до 120°, тогда была бы трехугольная, или до 90°, — тогда четырехугольная, причем ближе к 90°. Откуда же берутся эти самые 60°?
— Угол в молекуле воды 104° связан с sp3-гибридизацией орбиталей атома кислорода. В идеальном случае sp3-гибридизации четыре электронные пары дают угол 109,5°, типичный для тетраэдра. Если вы берете тетраэдр, в центре него ставите точку, то от этой точки до вершины тетраэдра углы получаются такие же — 109,5°.
В молекуле воды этот угол несколько меньше из-за того, что две из четырех орбиталей являются несвязывающими, а такие орбитали занимают несколько больший объем и давят на связывающие орбитали, делая связи кислород — водород несколько ближе друг к другу. Это простое, в двух словах, объяснение о том, откуда берется угол 104°. Угол в 120° или 60° требовал бы совсем другого характера химической связи, невозможного в молекуле воды. Но такой угол совсем не требуется для гексагональной симметрии.
— Популярный вопрос в Сети: почему не бывает двух одинаковых снежинок? Или это миф?