Лёд

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Лёд
Общие
Систематическое
наименование		 Вода
Хим. формулаН2O
Физические свойства
Состояниетвёрдое тело
Молярная масса18,01528 г/моль
Плотность0,9167 г/см³
Твёрдость1,5[1]
Термические свойства
Температура
 • плавления0 °C
Тройная точка 0,01 °C, 611,73 Па
Удельная теплота плавления 3,3⋅105 Дж/кг
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Лёд  — вода в твёрдом агрегатном состоянии[2].

Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, которым свойственно иметь жидкую или газообразную форму при комнатной температуре; в частности, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.

Основные свойства водяного льда

В настоящее время известны три аморфных разновидности и 17 кристаллических модификаций льда. 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, ① — жидкая фаза

В природных условиях Земли вода образует кристаллы одной кристаллической модификации — гексагональной сингонии (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Å и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.

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

Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах от −173 °C до −133 °C показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры[3].

Ажурная кристаллическая структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, меньше плотности жидкой воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9%[4]. 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 теплотa плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле и любой подобной Земле планеты.

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

Природный лёд обычно значительно чище, чем жидкая 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 (например атмосферного воздуха). Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

Лёд в Арктике

На суше

Основная статья: Криосфера

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

В океане

Основная статья: Морской лёд

Вода в мировом океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и достаточно холодная для охлаждения морской воды до -3°С, либо вследствие малой глубины моря, расположенного в умеренном поясе. Различают однолетние и многолетние льды. Морской лёд может быть неподвижным, если спаян с сушей (припайный лёд) или плавучим, то есть дрейфующим. В океане встречаются льды, отколовшиеся от ледников суши и спустившиеся в океан в результате абляции — айсберги.

В космосе

Имеются данные о наличии льда на иных планетных телах Солнечной системы. В частности на Марсе также имеется водяной лёд. На ледяных спутниках газовых-гигантов, на ледяных-гигантах, ледяных карликовых планетах помимо водяного льда в больших количествах имеются и иные льды. Также из различных льдов состоят ядра комет.

Использование льда в технике

Иглу

Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов американская 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[5]. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой 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[5]. Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе «Ледяной остров».

Лёд на реке Дон
Лёд Байкала

Структурные разновидности водяного льда

Фаза Характеристики[6][7]
Аморфный лёдАморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Существует в трёх формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой (сверхвысокой) плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).
Лёд IhОбычный гексагональный кристаллический лёд. Почти весь лёд на Земле относится к «Лёд Ih». (Только очень малая часть Земного льда есть «Лёд Ic.»)
Лёд IcМетастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены в кристаллической решётке алмаза.
Его получают при температуре в диапазоне от −133 °C до −123 °C, он остаётся устойчивым до −73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.
Лёд IIТригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд IIIТетрагональный кристаллический лёд. Формируется при охлаждении воды до −23 °C под давлением в 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей водяного льда в зоне высоких давлений.
Лёд IVМетастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лёд VМоноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлаждении воды до −20 °C под давлением в 500 МПа. Обладает самой сложной структурой в сравнении со всеми иными модификациями водяного льда.
Лёд VIТетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлаждении воды до −3 °C и под давлении в 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.
Лёд VIIКубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода. Проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.
Лёд VIIIБолее упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IXТетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от −65 °C до −108 °C. Стабилен при температурах ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³. (Т. е. несколько выше, чем у обычного льда.)
Лёд XСимметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется под давлением около 70 ГПа.
Лёд XIРомбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Сегнетоэлектрик.
Лёд XIIТетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и под давлением в 810 МПа.
Лёд XIIIМоноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C под давлением в 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIVРомбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C под давлением в 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XVПсевдоромбическая кристаллическая разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до −143 °C и давлении в 0,8-1,5 ГПа[8].
Лёд XVIКристаллическая разновидность льда с наименьшей плотностью (0,81 г/см3)[9] среди всех экспериментально полученных форм льда. Имеет строение топологически эквивалентное полостной структуре КС-II (англ. sII) газовых гидратов.
Лёд XVIIКристаллическая разновидность льда с меньшей кристаллографической плотностью (0,85 г/см3)[10], чем у других экспериментально полученных форм льда. Его структура, как и у льда XVI, сходна с клатратной структурой газовых гидратов. Получается при температуре 280 К и давлении ~ 400 МПа. Его номинальный состав (Н2О)2Н2 с тремя формульными единицами на элементарную ячейку.
Лёд XVIII Лёд XVIII, так же известный как «суперионная вода». Представляет собой фазу воды, существующую при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, при которых молекулы воды распадаются на ионы кислорода и водорода. Ионы кислорода кристаллизуются и формируют равномерно распределённую решётку, а ионы водорода свободно плавают по образовавшейся решётке из кислорода.
Лёд XIXЛёд XIX это вторая упорядоченная форма льда VI. Возникает при медленном охлаждении воды до температуры 100 К при давлении около 2 ГПа[11].

Льды Арктики

  • Дрейфующий лёд в Арктике
    Дрейфующий лёд в Арктике
  • Лёд в период летней навигации
    Лёд в период летней навигации
  • Плотный лёд
    Плотный лёд
  • Ледяные поля
    Ледяные поля
  • Атомоход «Ямал» ломает лёд
    Атомоход «Ямал» ломает лёд
  • Образование ниласа
    Образование ниласа
  • Снежницы на ледяном поле
    Снежницы на ледяном поле
  • Разлом льда
    Разлом льда

См. также

Примечания

  1. ↑ Петрушевский Ф. Ф., Гершун А. Л. Лед, в физике // Энциклопедический словарь — СПб.: Брокгауз — Ефрон, 1896. — Т. XVII. — С. 471—473.
  2. ↑ РМГ 75-2014. Измерения влажности веществ. Термины и определения, 2015, с. 1.
  3. ↑ A one-dimensional ice structure built from pentagons. Nature Materials. 8 March 2009 (англ.). Дата обращения: 18 апреля 2009. Архивировано 22 апреля 2009 года.
  4. ↑ Замерзающая вода выдавливает дно металлической ёмкости (видео). Дата обращения: 7 мая 2011. Архивировано 28 августа 2012 года.
  5. ↑ 1 2 Хирурги наполнят тела пациентов текущим льдом. Дата обращения: 29 декабря 2008. Архивировано из оригинала 28 апреля 2011 года.
  6. ↑ Фазы льда (англ.). Дата обращения: 5 февраля 2009. Архивировано из оригинала 25 марта 2009 года.
  7. ↑ Ледяные узоры высокого давления. Дата обращения: 6 февраля 2009. Архивировано из оригинала 18 февраля 2009 года.
  8. ↑ Впервые получен лёд XV. Дата обращения: 17 июня 2009. Архивировано 27 марта 2013 года.
  9. ↑ Andrzej Falenty, Thomas C. Hansen & Werner F. Kuhs. Formation and properties of ice XVI obtained by emptying a type sII clathrate hydrate // Nature. — Vol. 516, P. 231—233 (11 December 2014) — Falenty Andrzej, Hansen Thomas C., Kuhs Werner F. Formation and properties of ice XVI obtained by emptying a type sII clathrate hydrate // Nature. — 2014. — Декабрь (т. 516, № 7530). — С. 231—233. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/nature14014. [исправить]
  10. ↑ Timothy A. Strobel, Maddury Somayazulu, Stanislav V. Sinogeikin, Przemyslaw Dera & Russell J. Hemley. Hydrogen-stuffed, quartz-like water ice // Journal of the American Chemical Society[англ.]. — Vol. 138. — P. 13786-13789 (19 August 2016) — Strobel Timothy A., Somayazulu Maddury, Sinogeikin Stanislav V., Dera Przemyslaw, Hemley Russell J. Hydrogen-Stuffed, Quartz-like Water Ice // Journal of the American Chemical Society. — 2016. — 18 октября (т. 138, № 42). — С. 13786—13789. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/jacs.6b06986. [исправить].
  11. ↑ Structural characterization of ice XIX as the second polymorph related to ice VI | Nature Communications. Дата обращения: 30 марта 2021. Архивировано 22 марта 2021 года.

Литература

  • Маэно Л. Наука о льде. М.: Мир, 1988.
  • Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 75-2014. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения влажности веществ. Термины и определения. — М.: Стандартинформ, 2015. — iv + 16 с.
  • Шавлов А. В. Лёд при структурных превращениях. Новосибирск: Наука, 1996.

Ссылки