Ледяные кристаллы

Лёд
Общие
Систематическое наименование	Вода
Химическая формула	Н2O
Молярная масса	18,01528 г/моль
Физические свойства
Плотность вещества	0,917 г/см³
Состояние (ст. усл.)	жидкость
Термические свойства
Тройная точка	0,01 °C, 611,73 Па
Удельная теплота плавления	3,3 · 105 Дж/кг

Лёд — вода в твёрдом агрегатном состоянии, минерал.

В широком смысле, лёд — это твёрдое состояние такого неметаллического вещества, которое при стандартной температуре и давлении находится в жидком или газообразном состоянии. Например, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.

Основные свойства водного льда

Лёд может существовать в трёх аморфных разновидностях и 15 кристаллических модификациях. Фазовая диаграмма на рисунке справа показывает при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций (более полное описание см.ниже).

Фазовая диаграмма льда. Давление (ГПа) в логарифмическом масштабе, температура слева — в градусах Цельсия, справа — Кельвина.

В природных условиях Земли лёд представлен, главным образом, одной кристаллической модификацией, кристаллизующейся в гексагональной сингонии (лёд I_h). Во льду I_h каждая молекула Н₂O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Å и размещенных в вершинах правильного тетраэдра.

Кристаллическая структура льда I_h. Серыми пунктирными линиями показаны водородные связи.

Ажурная структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0°C, ниже плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %. Кроме того, лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, чтобы нагреть литр воды до 80°C

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

Искусственный лёд получается охлаждением, происходящим при растворении некоторых солей в воде или кислотах или охлаждением при испарении жидкостей в разрежённом пространстве.

Лёд на Земле

Основная статья: Криосфера

Общие запасы льда на Земле около 30 млн км³. Основные запасы льда на Земле сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).

В океане

Вода в мировом океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе. Различают однолетние и многолетние льды. Морской лёд может быть неподвижным, если связан с сушей, или плавучим, то есть дрейфующим. В океане встречаются льды, отколовшиеся от ледников суши и спустившиеся в океан в результате абляции, — айсберги.

Лёд в космосе

Имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы и в ядрах комет. Изо льда сложена поверхность Европы — спутника Юпитера.

Использование льда в технике

Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения ^[1]. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5—7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10—15 до 30—45 минут.

Фазы льда

Фаза	Характеристики[2] [3]
Аморфный лёд	Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлажденная стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путем нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).
Лёд Ih	Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic.
Лёд Ic	Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза. Его получают при температуре в диапазоне 130—150 K, он остается устойчивым до 200 K, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.
Лёд II	Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах 190—210 K. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд III	Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до 250 K и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.
Лёд IV	Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лёд V	Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлажении воды до 253 K и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лёд VI	Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлажении воды до 270 K и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.
Лёд VII	Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.
Лёд VIII	Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IX	Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от 208 K до 165 K, стабилен при температуре ниже 140 K и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.
Лёд X	Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
Лёд XI	Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.
Лёд XII	Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от 77 K до примерно 183 K и при давлении 810 МПа.
Лёд XIII	Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже 130 K и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIV	Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже 118 K и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XV	Предсказанная (но ещё не подтвержденная) разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Предполагается, что можно получить путем охлажения воды примерно до 108—80 K и давлении 1,1 ГПа.

Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах 100—140 K показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры^[4] .

Примечания

1. ↑ Хирурги наполнят тела пациентов текущим льдом
2. ↑ Фазы льда (англ.)
3. ↑ Ледяные узоры высокого давления
4. ↑ A one-dimensional ice structure built from pentagons. Nature Materials. 8 March 2009 (англ.)

См. также

• Газовые гидраты
• Сосулька
• Ледник
• Морозные узоры
• Лёд-девять
• Музей ледяных скульптур

Ссылки

• Мальцев В. А. Феерия воды и льда. Фотогалерея подземного льда на Hiero.expo.ru
• Арабаджи В. Загадки простой воды. Сооружения из льда
• Шавлов А. В. Лёд при структурных превращениях. Новосибирск: «Наука», 1996 г., 198 с
• Шавлов А. В., Рябцева А. А., Шавлова В. А. «Сверхскользкий лед для конькобежного спорта»//2007 г.