我们能观察到的雪花，为什么大多是六瓣的？

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作者：孙亚飞

我们已经知道，水有固态、液态、气态这三种状态，在温度条件不同的时候可以发生改变，而液态的水对于地球生命而言非常重要。

物质的状态和能量有着直接的关系，但它同样也会受到其他很多因素的影响，比如压力。在地球海平面，水在 100 摄氏度时会沸腾，液态的水蒸发成水蒸气；但是到了高山上以后，因为气压变低了，水的沸点也会下降，可能80摄氏度就沸腾了；要是反过来，用高压锅煮开水的话，水的沸点就会增加，一直到 120 摄氏度左右才会沸腾。

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如果压力再大一些的话，液态的水会更难沸腾，甚至直到很高的温度，水也不会彻底变成气体，而是形成一种不像水也不像气的物质——这种状态被称为超临界流体，它具有很多特殊的性质。

有一些物质比较容易出现超临界流体，二氧化碳就是如此。

在地球表面自然的环境下，二氧化碳并不存在液态——如果给这种气体降温，会在零下 78 摄氏度的时候直接转化为固态二氧化碳，也就是我们常说的“干冰”。

不过，只要在常温条件下给它施加很高的压力，大约是高压锅内最高压力的 10 倍左右，就能获得二氧化碳的超临界流体。这种流体的溶解能力非常强，可以被用来提纯很多物质，如今已经应用在医药、食品等领域广泛应用。

为什么流动态的物质——液态的水或超临界流体二氧化碳——会有如此特别的作用？这还是能量与物质交换的规律决定的。

当外界温度非常低的时候，所有的物质都有可能凝固。氦是所有物质中熔点最低的，只有不到 1 开，也就是低于 -272 摄氏度。当物质处于固态时，所有的原子就像排队做操一样，停留在各自确定的位置上，尽管也会小幅度振动，但是相对位置却不会改变。

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随着温度上升，这些原子的振动幅度会持续增加。当然，正如前面所说，能量也会被电子吸收，让电子跃迁到更高的能级。

如果此时的电子跃迁就引发了化学反应，那么这种物质就不会转化为其他状态，而是直接在固态时就分解了。

有一种优质的化肥叫碳铵，它的实际成分叫碳酸氢铵（NH4HCO3），只要在阳光下照射一会儿，它就会发生分解，变成氨气、二氧化碳和水，最后什么固体都不会剩下。所以，这种肥料见效很快，失效也很快，用起来还需要点技巧。

不过，大多数物质还是可以支撑到熔化的时候，熔化时的温度就被称为熔点。并不是所有的物质都有熔点，玻璃就是这样。有固定熔点的物质被称为晶体，比如冰、铁、食盐、石英都是这样，而像玻璃、松脂、沥青之类的物质就被称为非晶体。

如果从原子层面上看，晶体和非晶体的区别就更有意思了。

晶体中的原子排列非常整齐，它们形成了“晶格”，也就是由原子在晶体内部形成的格子。它们之所以能够排列成格子，也和玻尔设想的原子结构模型有很大关系。

当原子外的电子必须按照特定的轨道运动时，那些相邻的原子也只能采取特定的方向和这些原子相结合。比如水凝固后的晶体是冰，每一个水分子都有两个氢和一个氧，它们总是会和周围6个水分子相互靠近，规则地围成一圈。当这样的圈子越来越大时，冰就会出现六棱的特点。不过，从水结晶成完美的冰需要时间，我们看到冬天的雪花总是六瓣，就是高空中的水蒸气缓慢形成冰的结果。

常见的雪花形状

当晶体熔化成液体的时候，因为原子的振动幅度加剧，电子跃迁扰乱了原子之间的纽带，于是这些原子相互之间的位置就会开始发生变化。

如果这时候，原子（或分子）之间的吸引力足够大，大到还可以保持一个整体，那它们就会呈现流动的液体状态。否则，这些原子各自散开，它就变成了气态，二氧化碳便是这样，而这个过程就被称作升华。从这个过程，不难知道，物质能够在很宽的区间内保持液态，并没有那么容易。

非晶体的情况要复杂得多，因为各种原因，它没有能够形成“晶格”。比如玻璃，制造它的其中一个原材料就是石英，也就是二氧化硅的晶体。

当石英熔化以后，会形成非常黏稠的液体，内部的硅原子和氧原子都会偏离原来的位置。此时，如果让它冷却下来，因为液体实在太过黏稠，原子无法回到原本的位置，这样一来，它就像是糖葫芦下被糖包裹的山楂，保持原本的混乱状态被“冻”住了。

如果石英凝固的时间足够长，它也可以像水变成雪花那样完美。

在火山和海底，通常都可以找到由石英形成的上佳晶体，它们被称为水晶。而当石英被用来制造玻璃时，又有钠、钙这样的物质被加入了进去，原子的位置就更加难以归位，晶格再也不能形成。

所以，当玻璃从流动的状态“凝固”时，我们并不能发现它除了流动性降低以外的变化，如果说它是流动性特别弱的液体，也有一定道理。

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固体转化为液体虽然有很多情况，但液体转化为气体的过程却要简单很多。实际上，即便液体没有出现沸腾的状态，也还是会转化为气体，只是速度慢了很多，所以地面上的水会慢慢地变干。

在这个过程中，液体最外围的那些原子，因为受到的吸引力要小于那些液体内部的原子，结果它们脱离了束缚，就变成了气体。如果对着液体持续加热，原子振动幅度加大，就连液体内部原子之间的吸引力都不足以将它们束缚，液体就会完全转化为气体。

对着气体继续加热，原子还会继续发生电子跃迁，直到这些电子就和“光电效应”中的电子那样，彻底和原子发生分离。这时候的物质，虽然还是气态，可是组成它的那些原子，却已经形成了各式各样的离子。因为这些离子中，正电荷与负电荷大致相等，因此这种状态也被称为“等离子态”。它是气体完全电离后形成的大量正离子和等量负离子所组成的一种聚集态。不停进行着核聚变的太阳，还有云层撞击出的闪电，都是天然的等离子态。

不仅太阳，还有其他恒星中的气体也都处于等离子态。这种状态也有一些特别的性能，电焊时的高亮火光，就是一种人造的等离子态，它可以让钢铁瞬间熔化。

然而，不管怎么说，液态总是显得十分特殊：它和固态一样，原子之间会紧密地结合在一起，但是它同时又和气态一样，原子之间的位置可以错开，具有流动性。

所以，当物质处在液体中时，不同物质之间的能量交换也会最充分。在这颗星球上，海洋中存在着一系列洋流，温热的海水与冰冷的海水不断地交错流动，由此影响了各种气候，高纬度的北欧因此能够适宜居住，而南美洲则出现了海水与沙漠碰撞的场景。

如果洋流停止或者倒转，温暖的地区可能会突然冰冻，而干燥的地区会迎来山洪，这对于人类和很多生物而言，都将会是灭顶之灾。

我们在乎物质的不同状态，就是因为它们携带的能量。任何物质和能量之间，都有着不可分割的关系。在这个由物质和能量构成的超大系统中，没有任何物质会真正消失，能量也是如此。

然而，对人类而言，物质的意义远不止于此，我们还要将它们应用起来，在物质与人类之间形成互动。

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文源：《给青少年讲物质科学》

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