Лёд
Лёд
К.х.н. О.В. Мосин
ЛЁД – Загадочный И Необычный
Лёд – кристаллическая модификация воды. По последним данным лёд имеет 14 структурных модификаций. Посреди их есть и кристаллические (их большая часть) и бесформенные модификации, но они все отличаются друг от друга обоюдным расположением молекул воды и качествами. Правда, все, не считая обычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии, образуются в критериях экзотичных — при очень низких температурах и больших давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды меняются и образуются системы, хорошие от гексагональной. Такие условия напоминают галлактические и не встречаются на Земле. К примеру, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на железной пластинке в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так именуемый кубический лед. Если температура чуток выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластинке формируется слой только плотного бесформенного льда.
Самое необыкновенное свойство льда — это необычное обилие наружных проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может смотреться совсем по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев лохматого снега, плотной блестящей корки льда либо циклопических ледниковых масс.
Кристаллическая структура льда похожа на структуру алмаза: любая молекула Н2O окружена 4-мя наиблежайшими к ней молекулами, находящимися на схожих расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в верхушках правильного тетраэдра. В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что оказывает влияние на его невысокую плотность.
В природе лёд представлен приемущественно, одной кристаллической разновидностью, кристаллизующейся в гексагональной решётке, с плотностью 931 кг/м3. Лёд встречается в природе в виде фактически льда (материкового, плавающего, подземного), также в виде снега, инея и т. д. Так как лёд легче водянистой воды, то появляется он на поверхности водоёмов, что препятствует предстоящему замерзанию воды.
Природный лёд обычно существенно чище, чем вода, потому что при кристаллизации воды сначала в решётку встают молекулы воды, а примеси вытесняются в жидкость.
Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частички, капельки концентрированных смесей, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола разъясняется солоноватость морского льда.
Возрастающий кристалл льда всегда стремится сделать безупречную кристаллическую решетку и теснит посторонние вещества. Но в планетарном масштабе конкретно превосходный парадокс замерзания и таяния воды играет роль огромного очищающего процесса — вода на Земле повсевременно очищает сама себя.
Общие припасы льда на Земле около 30 млн. км3. Больше всего льда сосредоточено в Антарктиде, где толщина его слоя добивается 4 км. Также имеются данные о наличии льда на планетках Галлактики и в кометах.
Модификации льда
Более изученным является лёд I-й природной модификации. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), также в виде снега, инея и т.д. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в множествах, снег и лед образуют особенные структуры с принципно другими, ежели у отдельных кристаллов либо снежинок, качествами. Ледники, ледяные покровы, нескончаемая мерзлота, сезонный снежный покров значительно оказывают влияние на климат огромных регионов и планетки в целом: даже те, кто никогда не лицезрел снега, ощущают на для себя дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, к примеру, в виде долголетних колебаний уровня Мирового океана. Лед имеет настолько огромное значение для вида нашей планетки и комфортабельного обитания на ней живых созданий, что ученые отвели для него необыкновенную среду — криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.
Природный лёд обычно существенно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (не считая NH4F) во льде очень низкая.
Табл. 1. — Некие характеристики льда I
Свойство
Значение
Примечание
Теплоемкость, кал/(г··°C)
Теплота таяния, кал/г
Теплота парообразования, кал/г
0,51 (0°C)
79,69
677
Очень миниатюризируется с снижением температуры
Коэффициент теплового расширения, 1/°C
9,1·10—5 (0°C)
Теплопроводимость, кал/(см сек··°C)
4,99·10—3
Показатель преломления:
для обычного луча
для необычного луча
1,309 (—3°C)
1,3104 (—3°C)
Удельная электронная проводимость, ом—1·см—1
10—9 (0°C)
Кажущаяся энергия активации 11ккал/моль
Поверхностная электропроводность, ом—1
10—10 (—11°C)
Кажущаяся энергия активации 32ккал/моль
Модуль Юнга, дин/см
9·1010 (—5°C)
Поликристаллич. лёд
Сопротивление, Мн/м2 :
раздавливанию
разрыву
срезу
2,5
1,11
0,57
Поликристаллический лёд
Поликристаллический лёд
Поликристаллический лёд
Средняя действенная вязкость, пз
1014
Поликристаллический лёд
Показатель степени степенного закона течения
3
Энергия активации при деформировании и механической релаксации, ккал/моль
11,44—21,3
Линейно вырастает на 0,0361 ккал/(моль·°C) от 0 до 273,16 К
Примечание. 1 кал/(г°С)=4,186 кджl (kг (К); 1 ом-1?см-1=100 сим/м; 1 дин/см=10-3 н/м; 1 кал/(см (сек°С)=418,68 вт/(м (К); 1 пз=10-1 н (сек/м2.
Табл. 2. — Количество, распространение и время жизни льда
Вид льда
Масса
Площадь распространения
Средняя концен
трация, г/см2
Скорость прироста массы, г/год
Среднее время жизни, год
г
%
млн. км2
%
Ледники
2,4·1022
98,95
16,1
10,9
суши
1,48·105
2,5·1018
9580
Подземный лёд
2·1020
0,83
21
14,1
суши
9,52·103
6·1018
30—75
Морской лёд
3,5·1019
0,14
26
7,2
океана
1,34·102
3,3·1019
1,05
Снежный покров
1,0·1019
0,04
72,4
14,2
Земли
14,5
2·1019
0.3—0,5
Айсберги
7,6·1018
0,03
63,5
18,7
океана
14,3
1,9·1018
4,07
Атмосферный лёд
1,7·1018
0,01
510,1
100
Земли
3,3·10—1
3,9·1020
4·10—3
В связи с широким распространением воды и льда на Земле отличие параметров льда от параметров других веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие наименьшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания. Зависимость меж скоростью течения и напряжением у поликристаллического льда гиперболическая; при приближённом описании её степенным уравнением показатель степени возрастает по мере роста напряжения.
Не считая того, скорость течения льда прямо пропорциональна энергии активации и назад пропорциональна абсолютной температуре, так что с снижением температуры лёд приближается по своим свойствам к полностью твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть льда в 106 раз выше, чем у горных пород. Благодаря собственной текучести лёд не накопляется в одном месте, а в виде ледников повсевременно перемещается.
Лед тяжело расплавить, вроде бы ни удивительно это звучало. Не будь водородных связей, сцепляющих молекулы воды, он расплавлялся бы при –90°С. При всем этом, замерзая, вода не миниатюризируется в объеме, как это происходит с большинством узнаваемых веществ, а возрастает — за счет образования сетчатой структуры льда.
Вследствие очень высочайшей отражательной возможности льда (0,45) и снега (до 0,95) покрытая ими площадь — в среднем за год около 72 млн. км2 в больших и средних широтах обоих полушарий — получает солнечного тепла на 65% меньше нормы и является массивным источником остывания земной поверхности, чем в значимой мере обоснована современная широтная климатическая зональность. Летом в полярных областях солнечная радиация больше, чем в экваториальном поясе, все же температура остаётся низкой, т. к. значимая часть поглощаемого тепла затрачивается на таяние льда, имеющего очень высшую теплоту таяния.
К другим необыкновенным свойствам льда относят и генерацию электрического излучения его возрастающими кристаллами. Понятно, что большая часть растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти; они вымораживается. Потому даже на самой грязной луже пленка льда незапятнанная и прозрачная. При всем этом примеси накапливаются на границе жесткой и водянистой сред, в виде 2-ух слоев электронных зарядов различного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Заряженный слой примесей перемещается совместно с нижней границей юного льда и испускает электрические волны. Благодаря этому процесс кристаллизации можно следить в деталях. Так, кристалл, возрастающий в длину в виде иголки, испускает по другому, чем покрывающийся боковыми отростками, а излучение возрастающих зернышек отличается от того, что появляется, когда кристаллы лопаются. По форме, последовательности, частоте и амплитуде импульсов излучения можно найти, с какой скоростью леденеет лед и какая при всем этом выходит ледовая структура.
Лёд II, III и V-й модификации долгое время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превосходит —170°С. При нагревании примерно до —150°С лёд преобразуются в кубический лёд Ic.
При конденсации паров воды на более прохладной подложке появляется бесформенный лёд. Обе эти формы льда могут самопроизвольно перебегать в гексагональный лёд, причём тем быстрее, чем выше температура.
Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он появляется еще легче и в особенности стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода.
Кривая плавления льда V и VII изучена до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При всем этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С.
Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII.
Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму.
В первый раз полиморфизм льда был найден Г. Тамманом в 1900 г. и тщательно исследован П. Бриджеменом в 1912 г. В табл. 3 и 4 приведены некие данные о структурах модификаций льда и некие их характеристики.
Табл. 3. — Некие данные о структурах модификаций льда
Модифи
кация
Сингония
Фёдоровская группа
Длины водородных связей,
Углы О—О—О в тетраэдрах
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
Гексагональная
Кубическая
Тригональная
Тетрагональная
Моноклинная
Тетрагональная
Кубическая
Кубическая
Тетрагональная
P63/mmc
F43m
R3
P41212
A2/a
P42/nmc
Im3m
Im3m
P41212
2,76
2,76
2,75—2,84
2,76—2,8
2,76—2,87
2,79—2,82
2,86
2,86
2,76—2,8
109,5
109,5
80—128
87—141
84—135
76—128
109,5
109,5
87—141
Примечание. 1 A=10-10 м.
Табл. 4. — Плотность и статическая диэлектрическая проницаемость разных льдов
Модификация
Темп-ра, °С
Давление, Мн/м2
Плотность, г/см2
Диэлектрическая проницаемость
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
0
—130
—35
—22
—5
15
25
—50
—110
0,1
0,1
210
200
530
800
2500
2500
230
0,92
0,93
1,18
1,15
1,26
1,34
1,65
1,66
1,16
94
—
3,7
117
144
193
~150
~3
~4
Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совершенно не так давно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было тяжело подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться совместно молекулам незапятанной переохлажденной воды в таком количестве, чтоб образовался эмбрион кристалла, тяжело. Этого удалось достигнуть при помощи катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда создаваться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.
Разгадка структуры льда заключается в строении его молекулы. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H2O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас (рис. 1). Молекулу воды можно упрощенно представить для себя в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В её центре находится атом кислорода, в 2-ух верхушках — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся верхушки занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, потому их именуют неподеленными.
Рис.1. Структура льда.
Любая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к верхушкам тетраэдра. При содействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы появляется водородная связь, наименее мощная, чем связь внутримолекулярная, но довольно могущественная, чтоб задерживать рядом примыкающие молекулы воды. Любая молекула может сразу создавать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28′, направленных к верхушкам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При всем этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр верный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры приметно искажены. В структурах льда VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде сетчатой сетки, по структуре напоминающей соты с полыми каналами. Если лед подогреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре воды, — потому вода тяжелее льда.
Лед, который появляется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, — самое обычное, но всё же до конца не понятное вещество. Почти все в его структуре и свойствах смотрится особенно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода занимают самые различные положения повдоль связей. Потому вероятны 6 эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из их исключается, так как нахождение сразу 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды. Такое поведение атомов необычно, так как в жестком веществе все подчиняются одному закону: или все атомы размещены упорядоченно, тогда и это — кристалл, или случаем, тогда и это — бесформенное вещество. Такая необыкновенная структура может реализоваться в большинстве модификаций льда — I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), а в структуре льда II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены. По выражению Дж. Бернала лёд кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода.
Значение льда тяжело недооценить. Лёд оказывает огромное воздействие на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на различные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль собственного рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от предстоящего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если б плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к смерти всех живых созданий в реках, озерах и океанах, которые промерзли бы полностью, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что безизбежно привело бы к смерти всего живого.
Лёд может вызывать ряд стихийных бедствий с вредными и разрушительными последствиями — оледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и земли, град, метели и снежные заносы, речные заторы с наводнениями, ледяные обвалы и др. Прогнозирование, обнаружение, предотвращение вредных явлений, борьба с ними и внедрение льда в разных целях (снегозадержание, устройство ледяных переправ, изотермических складов, облицовка хранилищ, льдозакладка шахт и т.п.) представляют предмет ряда разделов гидрометеорологических и инженерно-технических познаний (ледотехника, снеготехника, инженерное мерзлотоведение и др.), деятельности особых служб (ледовая разведка, ледокольный транспорт, снегоуборочная техника, искусственное сбрасывание лавин и т.д.).
Природный лёд употребляется для хранения и остывания пищевых товаров, био и мед препаратов, зачем он специально делается и заготавливается.