Изготовка льда в виде кубов
Изготовка льда в виде кубов
Вопрос:
Здрасти Олег! Могли бы Вы мне посодействовать? Вопрос вот в чем: я желала бы изготавливать лед в виде кубов, но сколько бы я не пробовала их делать, кубы получаются с белоснежным пятном снутри, хотя я использовала очищенную воду и даже дистиллированную… Также почему то снутри куба возникает огромное количество пузырьков. Я очень надеюсь,что Вы можете мне посодействовать. Заблаговременно огромное спасибо! Виктория.
Ответ:
Здрасти, Виктория! Настолько странноватое поведение ваших кубиков льда разъясняется особенностями процесса кристаллизации. Перевоплощение воды в кристалл происходит в первую очередь на центрах кристаллизации; примесях и неоднородностях — частицах пыли, пузырьках воздуха, мелких царапинах на стенках сосуда. Незапятнанная вода центров кристаллизации фактически лишена, потому она может переохлаждаться, и довольно очень, оставаясь водянистой, но мелкие пузырьки воздуха вода всегда содержит. Они то и являются предпосылкой наблюдаемого эффекта. В лабораторных критериях температуру воды, правда, в очень малых объёмах, удавалось довести до –70°С.
Есть даже такая догадка, что в структуре льда остаются бессчетные поры и промежутки, заполненные воздухом. Пузырьки воздуха вмерзают в лёд, и такая „губка“ становится существенно легче воды. Но даже лёд без микроскопичных пор и трещин имеет плотность 0,9168 г/см 3 при 0°С, а вода при той же температуре — 0,9984 г/см 3.
Слева — Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H2O (чёрные шарики) в её узлах размещены так, что любая имеет четырёх „соседок“.
Сами молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они размещаются так, что неровности (надлежащие атомам водорода) ориентируются строго по направлению 2-ух примыкающих молекул. В результате появляется трёхмерная кристаллическая решётка, состоящая из почти безупречных тетраэдров. Любая молекула в его верхушках окружена 4-мя другими, т.е. имеет координационное число равное 4.
Похожие явления кристаллизации льда на примесях можно следить и в природе. Многие путники издавна отмечали, что глубочайшей осенью очень незапятнанные речки и ручьи начинают леденеть со дна. Через слой незапятанной воды отлично видно, что водные растения и коряги на дне зарастают рыхловатой ледяной шубой. В какой-то момент этот донный лёд всплывает, и поверхность воды одномоментно оказывается скованной ледяной коркой.
К подобным сообщениям всегда относились достаточно скептически. Температура верхних слоёв воды ниже, чем глубинных, и замерзание вроде бы должно начинаться с поверхности. Но незапятнанная вода леденеет без охоты, и лёд в первую очередь появляется там, где имеются центры кристаллизации — взвесь ила и твёрдая поверхность, — возле дна.
Кристалл льда стремится вырасти как можно более правильным — это „прибыльно“ с точки зрения его внутренней энергии. А любые примеси искажают форму решётки. Потому возрастающий кристалл теснит любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить безупречную решетку, пока это может быть. И только когда примесям деваться уже некуда, кристалл льда начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде капсул концентрированной жидкостью. Потому морской лёд пресный, а даже самые грязные лужи покрываются прозрачным и чистым льдом.
Водопроводная вода содержит приблизительно 100 частей примесей на миллион частей воды (в главном это хлор, растворённый для дезинфекции, поваренная соль, которая есть всюду, и твёрдые наночастицы). Дистилляцией в обычных лабораторных критериях их количество несложно снизить раз в сто, получив воду с чистотой 99,9999%. Если же сосуд с этой водой медлительно охлаждать с одной стороны, получится лёд с чистотой уже до шести девяток после запятой. В нём отыщется только одна частичка примеси на сто миллионов частиц воды.
В минералогических коллекциях часто можно созидать, к примеру, прозрачные кристаллы корунда Al2O3, которые завершаются рубиновой „шапочкой“. Это возрастающий кристалл „собрал“ со всего объёма примесь — ионы хрома Cr 3+, которые превращают тусклый корунд в красный рубин.
Аналогичным образом, и лёд, выжимая примеси из своей кристаллической решётки, становится прозрачным. А снег же, который состоит из микроскопических кристалликов льда, непрозрачен. В чём же причина настолько различных оптических параметров 1-го и того же вещества?
Слева — Видимый свет льдом фактически не поглощается, но задерживает весь ультрафиолет и большую часть инфракрасного излучения. В этих областях диапазона лёд смотрится полностью чёрным.
Справа — Белоснежный свет, падающий на снег, не поглощается, а многократно преломляется в ледяных кристаллах и отражается от их граней. Потому снег смотрится белоснежным.
Как это ни странно, причина тут одна. Лёд фактически не поглощает видимый свет. И если бы лёд не был прозрачным, снег не был бы белоснежным. Световые лучи проходят ледяную пластинку насквозь, а в слое снега испытывают неоднократное отражение и выходят назад, не потеряв ни одного из компонентов диапазона. Но если бы мы могли созидать инфракрасное излучение и ультрафиолет, снег казался бы нам полностью чёрным: коэффициент поглощения света в этих областях диапазона очень велик.
Так почему же время от времени у вас выходит прозрачный лёд из дистиллированной воды, а время от времени нет? Дело в том, что при замерзании капелек воды выделяются мелкие пузырьки воздуха, которые всегда находятся в воде. Они прилипают к граням кристаллов льда. Чем больше появляется кристалликов льда, тем больше пузырьков воздуха — вот вам и непрозрачный лед. Если вода подо льдом движется, воздушные пузырьки собираются совместно, и появляется прозрачный лед.
Попытайтесь провести таковой опыт. Вам пригодится формочка из узкого пластика. Стеклянная посуда не годится: при замерзании вода расширяется практически на 10% (вот поэтому лед плавает) и разрывает хрупкий материал. Формочку необходимо кропотливо помыть и, не вытирая, высушить, повернув дном наверх, чтоб вовнутрь не попала пыль.
Воду используйте очень чистую, отлично прокипяченную (а еще лучше дистиллированную — она продается в аптеках). Стакан с водой в морозный денек при -2 -5оС поставьте за окно, прикрыв куском незапятнанного стекла и защитив от прямых солнечных лучей. Через несколько часов содержимое стакана охладится ниже нуля, но остается водянистым (если, естественно, все советы были выполнены аккуратненько).
Осторожно откройте стакан и бросьте в воду небольшой кусок льда, щепотку снега либо просто пыли. На ваших очах вода одномоментно промерзнет, прорастая по всему объему прекрасными кристаллами.
Можно получить прозрачный лёд и в морозильной камере холодильника. Но для этого вам нужно за ранее прокипятить применяемую для изготовления льда дистиллированную воду, чтоб весь воздух, находящийся в воде испарился.
С почтением, к.х.н. О.В. Мосин
Дополнения от читателей
Прочел вопрос как получить лед без примесей газа, т.е. совершенно прозрачным. В ответе много теории но без практического совета. В свое время для оптических исследовательских работ эту делему решили последующим методом: пакет молока сдистилированной водой сверху и сбоков изолировали пенопластом и поставили в холодильник. Замораживание образование льда происходит снизу в верх и пузырьки имеют выход. Если замораживать со всех боков, лед не прозрачный из-за того что нет выхода для пузырьков. Прислал AndreyKo1.