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 кристаллическихмодификаций льда. Фазовая диаграмма воды на рисунке справа показывает, при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций (более полное описание см. ниже).
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.
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 атмосферноговоздуха). Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.
На суше
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
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 спутникахгазовых-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
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 могут использоваться в медицине. 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].
Другое
Использование льда в качестве строительного 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.
Структурные разновидности водяного льда
Льды Арктики
Дрейфующий лёд в Арктике
Лёд в период летней навигации
Плотный лёд
Ледяные поля
Атомоход «Ямал» ломает лёд
Образование ниласа
Снежницы на ледяном поле
Разлом льда
См. также
Примечания
- ↑Петрушевский Ф. Ф., Гершун А. Л.Лед, в физике // Энциклопедический словарь — СПб.: Брокгауз — Ефрон, 1896. — Т. XVII. — С. 471—473.
- ↑РМГ 75-2014. Измерения влажности веществ. Термины и определения, 2015, с. 1.
- ↑A one-dimensional ice structure built from pentagons. Nature Materials. 8 March 2009 (англ.). Дата обращения: 18 апреля 2009. Архивировано 22 апреля 2009 года.
- ↑Замерзающая вода выдавливает дно металлической ёмкости (видео). Дата обращения: 7 мая 2011. Архивировано 28 августа 2012 года.
- 12Хирурги наполнят тела пациентов текущим льдом. Дата обращения: 29 декабря 2008. Архивировано из оригинала 28 апреля 2011 года.
- ↑Фазы льда (англ.). Дата обращения: 5 февраля 2009. Архивировано из оригинала 25 марта 2009 года.
- ↑Ледяные узоры высокого давления. Дата обращения: 6 февраля 2009. Архивировано из оригинала 18 февраля 2009 года.
- ↑Впервые получен лёд XV. Дата обращения: 17 июня 2009. Архивировано 27 марта 2013 года.
- ↑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. — ISSN0028-0836. — doi:10.1038/nature14014.
- ↑Timothy A. Strobel, Maddury Somayazulu, Stanislav V. Sinogeikin, Przemyslaw Dera, Russell J. Hemley. Hydrogen-Stuffed, Quartz-like Water Ice (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 2016-10-26. — Vol. 138, iss. 42. — P. 13786–13789. — ISSN0002-7863. — doi:10.1021/jacs.6b06986.
- ↑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
- Вода, лед и снег. Физические, теплофизические, химические свойства. Инженерный справочник.
- Лёд Европы воссоздали на Земле
- Кристаллы снега и льда
- Арабаджи В. Загадки простой воды. Сооружения из льда
- Шавлов А. В., Рябцева А. А., Шавлова В. А.«Сверхскользкий лёд для конькобежного спорта» (2007)
