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Ein perfekter Eiskristall ist ein sechseckiges Prisma. Das ist die einfachste Form, die festes Wasser annehmen kann. Sie bildet sich aus, da die Wassermoleküle beim kristallisieren eine sechseckige Struktur annehmen. Jedes Wassermolekül hat zwei Wasserstoffatome, die leicht positiv geladen sind und ein Sauerstoffatom, das leicht negativ geladen ist. Dadurch lagern sich die Wasserstoffatome jeweils zu zweit an ein Sauerstoffatom an. Dabei ergibt sich die beschriebene Form.

Detailaufnahme eines Eiskristalls. Deutlich zu erkennen ist die sechseckige Grundstruktur. © Mauritius

Detailaufnahme eines Eiskristalls.
Deutlich zu erkennen ist die sechseckige Grundstruktur. © Mauritius

Von dieser sechseckigen Grundform ausgehend wächst der Kristall im Idealfall symmetrisch weiter.

Der reale Eiskristall

Die Eiskristalle, die wir als solche wahrnehmen, sehen jedoch ganz anders aus. Wer schon einmal eine Schneeflocke genau angesehen hat weiß, dass sie ein stark verzweigtes, kunstvolles Gebilde ist. Eine Schneeflocke wiegt zwar nur etwa ein Mikrogramm (10–6 g), besteht aber aus circa 100 Trillionen Wassermolekülen. Das ergibt so viele mögliche Kombinationen, dass es tatsächlich vermutlich keine zwei identischen Schneeflocken gibt.

Zwar gleicht keine Schneeflocke der anderen, aber alle haben eine sechszählige Geometrie. Schneeflocken mit vier oder acht Armen sind nicht möglich, sie alle basieren auf dem Sechseck, weil das die Struktur ist, in der Wasser kristallisiert.

Nahaufnahme eine Schneeflocke. © Mauritius

Nahaufnahme einer Schneeflocke. © Mauritius

Eine Schneeflocke entsteht unter besonderen Umständen: Meist sind die Temperaturen in den Wolken deutlich unter dem Gefrierpunkt, und das Wasser resublimiert, das heißt, es wechselt von der gasförmigen direkt in die feste Phase.

In der Wolke bilden sich an so genannten Kristallisationskernen wie Staubpartikeln winzige sechseckige Kristalle. Davon ausgehend wächst der jeweilige Kristall „dendritisch“. Das heißt, er bildet lange Arme aus. Der Begriff kommt vom griechischen dendron, was „Baum“ bedeutet. Dieses Wachstum tritt auf, weil die Kanten schneller wachsen als die Flächen. Die Ecken stehen hervor, daher lagern sich hier mehr Wassermoleküle an als an den Flächen.

© www.lowtem.hokudai.ac.jp/www.snowcrystals.net
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Elektronenmikroskopische Aufnahme von Schneekristallen © www.snowcrystals.net

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Schneekristallen © www.snowcrystals.net


Ein Arm eines Schneekristalls in sechs Wachstumsschritten. © www.snowcrystals.net

Ein Arm eines Schneekristalls in sechs Wachstumsschritten.
© www.snowcrystals.net

Hinzu kommt, dass bei der Kristallisation etwas Wärme frei wird. Ein Kristall ist eine energetisch günstigere, also eine energieärmere Form als gasförmiges Wasser. Die Energie wird beim Kristallisieren abgegeben. An den Kanten des Kristalls kann die Wärme besser weitergeleitet werden als an den Flächen. Daher kühlen sie schneller wieder ab und können weitere Wassermoleküle anlagern.

So bilden sich immer längere Arme. Diese verzweigen sich ab einer gewissen Länge. Dabei ist der Winkel immer 60 Grad – der Winkel des Sechsecks.