冰晶各种结构简介

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一、冰晶形成原因

冰晶（英语：ice crystal）是冰的宏观晶体形式。冰晶在光学及电学等物理性质方面有各向异性，并且具有较高的介电常数。冰晶常呈六角柱状、六角板状、枝状、针状等形状，由于大气中的冰晶一般由水蒸气凝华产生，因此具有非常对称的外型。在不同的环境温度和湿度中，可以产生不同的对称外形，如下图1所示。

图1 自然界中冰晶常以具有高度对称性的雪花的形式出现

冰有20余种结构形式，通常以罗马数字加后缀的形式作标记，罗马数字后面的h和c分别表示六方和立方晶系，如Ih，Ic等。其中冰Ih最为常见，自然界所见的冰都是Ih结构，Ic结构的只在很低温度下存在。冰晶已有各种发现的构型，主要为：Ih、Ic、II、III、IV、V、VI、VII、VIII、IX、X、XI、XII冰XIII、XIV、XV、XVI、XVII、XVIII、XIX。其各自对应的产生条件如图2水的相图所示。可参考周公度的《浅谈水的结构化学》文章（可在模拟之家QQ群下载：709020941）。

我们也准备了上述大部分的冰晶cif文件，在模拟之家QQ群下载：709020941

图2 水的相图

二、冰晶各种结构信息

1）冰Ih：

在冰Ih中, 每个O原子的周围都有呈四面体状配位的4个O, O-O键长约2.76 Å, 在O-O连线上只有一个H原子, 键长约O–0.96 Å– H–1.80 Å–O. 对于O原子周围的H原子, 其分布既可以是无序的, 也可以是有序的. 若H原子分布无序, 则一个O周围分布有4个占位度为0.5的H原子, 此时结构的对称性较高, 空间群为P63/mmc(#194); 若H原子分布有序, 则一个O周围有两个H, 空间群为P63cm(#185).

2）冰Ic：

冰Ic是一种在常压下，通过水蒸气凝结可以在低温（低于-80°C，见相图）下形成的亚稳态冰的形态，或者在小水滴（直径约6微米）中形成，或者通过在77K的高压冰上降低压力。通常会发现六角形和立方体冰之间的过渡状态，这取决于立方体冰的形成和历史。

3）冰II：

冰II可以在198 K和300 MPa的温度下由六方冰合成，也可以在238 K的温度下对冰V进行减压，但不易通过冷却冰III来形成（见相图）。冰II的氢键排列有序。与其他有序冰相反，冰II没有无序形式。当温度升高到熔点时，它会转化为冰Ih、III、V或VI。

详细信息可见：

https://vitroid.github.io/water-science/water/ice_ii.html

4）冰III：

冰III，属于四方晶系，可以将水在300 MPa下降温到250 K（-23.15 °C）制得。它在所有高压水相中是密度最低的，在350 MPa下仅1160 kg/m3。冰III的质子有序形态是冰IX。冰III的晶胞含有16个分子，具有Vh26‐Ibam空间群的对称性。每个氧离子被氧离子的变形四面体所包围，这与冰I的结构相似。

详细信息可见：

https://vitroid.github.io/water-science/water/ice_iii.html

5）冰IV：

冰IV是冰的准稳态高压相，为液态水在巨大压力压缩下所形成。冰四在约165 K的温度下结晶。控制结晶产出的是加热速率，快速加热（超过10 开/分）则会导致形成单相冰十二。

详细信息可见：

https://vitroid.github.io/water-science/water/ice_iv.html

6）冰V：

冰V，属于单斜晶系，可将水在500 兆帕冷却至253 K（-20.15°C）制得。冰V的结构很复杂，包括四元、五元、六元和八元环，每个晶胞中包含28个分子。详细信息可见：

https://vitroid.github.io/water-science/water/ice_v.html

7）冰VI：

冰VI存在于温度范围为130至355开(−143°C至82°C）及压强约1吉帕（=10000巴）的高压下。冰VI的密度为1.31克/厘米³，为具有空间群P42/nmc的四方晶系，它的胞晶包含10个水分子，尺寸 a=0.627纳米和 c=0.579纳米[3]。冰六与冰七和液态水的三相点约为82摄氏度和2.22吉帕；它与冰五和液态水的三相点为0.16摄氏度和0.6324吉帕=6324巴。

详细信息可见：

https://vitroid.github.io/water-science/water/ice_vi.html