雪花為什麼是六角形？
― 水分子的排列方式告訴我們答案
用放大鏡看雪的結晶，會發現雖然細部的花紋每一片都不一樣，但外形卻總是六角形，或是有六隻角的星形。五角形或七角形的雪花，幾乎找不到。這種「一定是六」的規律，源自肉眼看不見的、微小水分子的排列方式。
下雪的日子，你或許曾盯著落在手套或黑布上的雪花看過。分岔的花紋十分複雜，看起來每一片都不一樣，但仔細一看，會發現它們一定都有六角形的骨架。
在雲裡，無數片雪的結晶，在完全不同的地方、各自獨立地成長。既然如此，為什麼它們卻像商量好一樣，全都變成六角形呢？
答案，就藏在雪的原料——水這個物質本身、分子層級的性質裡。
水分子（H₂O）呈現彎折、角度固定的形狀。
結成冰時，水分子之間靠氫鍵這種力量，只以固定方向相連，結果就形成了以六角形為基礎的結晶結構。
接下來，我們依序看看，為什麼一個分子的形狀，會連結到六角形的雪花。
水分子有固定的形狀
水分子（H₂O）由1個氧原子和2個氫原子組成。這2個氫原子並非筆直地接在相反兩側，而是以彎折、固定的角度連接。正如冰為什麼會浮在水上一文介紹過的，這個彎折的形狀，正是水這個物質各種不可思議性質的根源。
水分子藉由氫鍵，以「固定方向」相連
水分子之間，靠氫鍵這種力量結合。1個水分子，最多能和周圍4個水分子，以固定方向形成氫鍵。在液態水中，這種鍵結不斷重組，但一旦結凍成冰，分子之間的位置就固定下來，形成規則反覆的結構。
當分子以4個方向固定的鍵結角度堆疊起來時，自然就會形成六角形環反覆排列的結構。這正是冰（更精確地說，是最常見的冰晶結構）的基本形狀。
水分子相連的角度，從一開始就「約定」了六角形。
同樣是六角形，形狀為何各不相同
只看到這裡，可能會覺得所有雪的結晶應該長得一樣。但實際上，有像平板一樣的形狀、像細長柱子一樣的形狀、像樹枝般延伸的形狀等，形態驚人地多樣。
造成這種差異的，是結晶成長時的溫度與濕度。1930年代，日本研究者中谷宇吉郎，在實驗室中首度成功製作出人工雪的結晶，並詳細研究了溫度與濕度的組合，如何改變結晶形成的形狀。這項研究得出的對應關係，至今仍被當作理解雪的結晶形狀的基礎資料使用。
雪的結晶在雲中落下的過程中，會經過周圍溫度與濕度不斷變化的地方。因此，即使是同一片結晶，也會因為成長的時間點不同，長出略有差異的分岔。
「沒有兩片雪花完全相同」的原因
雪的結晶，在雲中所經歷的溫度、濕度變化路徑，被認為每一片結晶都會有極其微小的差異。這種極其微小的差異，會在成長過程中不斷累積，因此連細節都完全相同的結晶，出現的機率被認為是天文數字般的低。基本的六角形骨架雖然共通，但細部花紋卻能產生無數種變化。
依溫度與濕度的條件不同，有時也會形成看不太出來是六角形的簡單形狀，或不規則的結晶。「雪都是美麗的六角形星星」這種印象，說的是許多結晶中常見的代表性形狀，並非永遠如此。
自己也能驗證的方法
- 在會下雪的地區，用黑布或黑紙接住雪，再用放大鏡或手機相機仔細觀察
- 即使不下雪的地方，也可以找找冷凍庫裡有沒有結一層薄霜（霜也是水蒸氣直接結成冰的結晶，有時能看到六角形的花紋）
- 寒冷的早晨，觀察窗戶玻璃上有沒有結出冰的結晶花紋也是個好方法
就算不是雪，只要是冰的結晶，就會反映出相同的水分子排列方式，有時能看到與六角形相關的花紋。
總結
雪的結晶之所以是六角形，是因為水分子之間以氫鍵相連時的固定角度，產生了六角形反覆排列的結構。這個分子層級的六角形，在結晶長大時，也會以外形的方式延續下去。不過，結晶成長處的溫度與濕度，會讓細部的形狀變得驚人地多樣，被認為幾乎不存在連細節都完全相同的結晶。
雪的結晶是六角形，不是天氣的惡作劇。
而是水這種分子與生俱來的「約定」。
大自然中，也有基於完全不同原因而呈現六角形的東西。蜂巢的六角形，是「用最少材料填滿平面」這個數學問題的答案。歡迎比較著讀：蜂巢為什麼是六角形？
想知道更多 ― 用語、數值、與教科書的連結從國中理科到研究中的話題，都明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理科、數學會學到的範圍
- 高中高中「化學基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「化學」，或教科書中列為進階、專欄內容
- 大學高中不會學到的大學專業科目（結晶學）內容
- 研究中連大學也不當作「定論」教授、研究者目前仍在調查中的話題
國中用語：與雪的結晶相關的詞彙
- 結晶：原子或分子規則排列而成的固體。
- 氫鍵：以氫原子為媒介、分子之間互相吸引的力量。
- 水蒸氣：氣態的水。雪的結晶是水蒸氣直接變成冰（昇華）而成長的。
高中用公式驗證：實際計算六角形的角度
從六角形這個圖形本身的性質，來驗證雪的結晶為什麼會出現六角形的對稱性。
內角和 ＝（邊數 － 2）× 180°
| 邊數 | 六角形所以是 6 |
| 內角和 | 多邊形所有頂點角度的總和 |
| 邊數減2 | 6 − 2 ＝ 4 |
| 4乘以180 | 4 × 180 ＝ 720 |
| 內角和 | 720° |
| 正六角形，所以每個內角是 | 720 ÷ 6 ＝ 120 |
| 每個內角 | 120° |
| 從中心看出去的角度（6等分） | 360 ÷ 6 ＝ 60 |
| 從中心看出去的角度 | 60° |
如果發現雪的結晶枝條以60°或120°的角度分岔，那並非偶然，而是結晶基本結構本身具備的六角形幾何性質的展現。
※ 實際的結晶中，因成長過程中的擾動，角度有時會與嚴格的60°、120°有些許偏差。
高中＋水分子最多能與4個對象鍵結
水分子的氧原子上，有2對未參與鍵結的電子對（孤對電子）。這些電子對也能和周圍水分子的氫原子形成氫鍵，因此1個水分子最多能與4個水分子形成氫鍵。這種「朝4個方向鍵結」的性質，正是決定冰晶結構的重要起點。
大學結晶結構與「中谷圖」
冰最常見的結晶結構稱為「冰Ⅰh」，水分子以六角形為基礎的反覆結構排列而成。中谷宇吉郎製作的溫度與過飽和度（水蒸氣的累積程度）與結晶形狀之對應圖，被稱為「中谷圖」，至今仍被當作雪冰學的基礎資料持續使用。
研究中尚未完全釐清的事
- 雪的結晶一邊分岔一邊成長的詳細速度與形狀決定機制（成長動力學），至今仍有尚未完全解明的部分。一般認為與水分子被結晶邊緣納入時、原子層級的行為有關。
- 更精密地模擬雲中的溫度、濕度分布，開發能預測雪的結晶形狀多樣性的模型，也是氣象學、結晶成長學的研究課題。
- 關於「不存在完全相同的雪的結晶」這個說法，要嚴格驗證是否連分子層級都完全一致，在現實中幾乎不可能，被認為終究只能停留在統計、機率層面的討論。
就連身邊常見的雪的結晶，也牽涉到結晶成長這個至今仍在持續研究的物理學深奧主題。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・狀態變化 ／ 數學・多邊形 | 結晶、氫鍵的基本用語 |
| 高中 | 化學基礎・分子的結構 | 從多邊形內角和求出六角形角度的計算 |
| 高中＋ | 化學・分子間作用力 | 水分子的孤對電子與4方向的氫鍵 |
| 大學 | 結晶學・雪冰學 | 冰Ⅰh的結晶結構、中谷圖 |
| 研究中 | 結晶成長學（研究中） | 結晶成長動力學、雲內模擬 |
- 中谷宇吉郎『雪』（岩波新書，Iwanami Shinsho）等，雪冰學的經典解說書籍。
- 化學基礎教科書中，關於水分子結構與氫鍵的解說。
- 結晶學相關教科書中，關於冰Ⅰh結晶結構的解說。
- 日本氣象廳（気象庁）、北海道大學低溫科學研究所（北海道大学低温科学研究所）相關資料中，關於雪的結晶分類（中谷圖）的說明。
- 雪冰學領域的研究回顧中，關於結晶成長動力學的解說。
※ 分子結構、角度等數值為代表性數值。實際結晶的形狀，會因成長條件而有所差異。
※本文為大眾科普解說。進行與雪、冰相關的觀察時，請留意在寒冷地區的安全服裝與行動。