Лёд
Лёд - Вода в твёрдом состоянии; известно 10 кристаллических модификаций Л. и аморфный Л. На рис. 1 изображена фазовая диаграмма воды, из которой видно, при каких температурах и давлениях устойчива та или иная модификация. Наиболее изученным является Л. 1 (табл. 1 и 2) - единственная модификация Л., обнаруженная в природе. Л. встречается в природе в виде собственно Л. (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Природный Л. обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме NH4F) во Л. крайне плохая. Л. может содержать механические примеси - твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда. Общие запасы Л. на Земле около 30 млн. км3. Имеются данные о наличии Л. на планетах Солнечной системы и в кометах. Основные запасы Л. на Земле сосредоточены в полярных странах (главным образом в Антарктиде, где толщина слоя Л. достигает 4 км).
Табл. 1. - Некоторые свойства льда I
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Свойство | Значение | Примечание |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Теплоемкость, кал/(г··°C) | 0,51 (0°C) | Сильно уменьшается с |
| Теплота таяния, кал/г | 79,69 | понижением температуры |
| Теплота парообразования, кал/г | 677 | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Коэффициент термического | 9,1·10-5 (0°C) | |
| расширения, 1/°C | | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Теплопроводность, кал/(см сек··°C) | 4,99·10-3 | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Показатель преломления: | 1,309 (-3°C) | |
| для обыкновенного луча | 1,3104 (-3°C) | |
| для необыкновенного луча | | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Удельная электрическая | 10-9 (0°C) | Кажущаяся энергия |
| проводимость, ом-1·см-1 | | активации 11ккал/моль |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Поверхностная электропроводность, | 10-10 (-11°C) | Кажущаяся энергия |
| ом-1 | | активации 32ккал/моль |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Модуль Юнга, дин/см | 9·1010 (-5°C) | Поликристаллич. лёд |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сопротивление, Мн/м2 : | 2,5 | Поликристаллический лёд |
| раздавливанию | 1,11 | Поликристаллический лёд |
| разрыву | 0,57 | Поликристаллический лёд |
| срезу | | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Средняя эффективная вязкость, пз | 1014 | Поликристаллический лёд |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Показатель степени степенного | 3 | |
| закона течения | | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Энергия активации при | 11,44-21,3 | Линейно растет на 0,0361 |
| деформировании и механической | | ккал/(моль·°C) от 0 до 273,16 |
| релаксации, ккал/моль | | 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 1
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Вид льда | Масса | Площадь | Средняя | Скорость | Среднее |
| | | распространения | концен | прироста | время |
| |------------------------------------------------------------------| трация, г/см2 | массы, | жизни, год |
| | г | % | млн. км2 | % | | г/год | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Ледники | 2,4·1022 | 98,95 | 16,1 | 10,9 | 1,48·105 | 2,5·1018 | 9580 |
| | | | | суши | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Подземный лёд | 2·1020 | 0,83 | 21 | 14,1 | 9,52·103 | 6·1018 | 30-75 |
| | | | | суши | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Морской лёд | 3,5·1019 | 0,14 | 26 | 7,2 | 1,34·102 | 3,3·1019 | 1,05 |
| | | | | океана | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Снежный покров | 1,0·1019 | 0,04 | 72,4 | 14,2 | 14,5 | 2·1019 | 0.3-0,5 |
| | | | | Земли | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Айсберги | 7,6·1018 | 0,03 | 63,5 | 18,7 | 14,3 | 1,9·1018 | 4,07 |
| | | | | океана | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Атмосферный лёд | 1,7·1018 | 0,01 | 510,1 | 100 | 3,3·10-1 | 3,9·1020 | 4·10-3 |
| | | | | Земли | | | |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В связи с широким распространением воды и Л. на земной поверхности резкое отличие части свойств Л. от свойств др. веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности Л. образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от промерзания до дна. Зависимость между установившейся скоростью течения и напряжением у поликристаллического Л. гиперболическая; при приближённом описании её степенным уравнением показатель степени увеличивается по мере роста напряжения; кроме того, скорость течения прямо пропорциональна энергии активации и обратно пропорциональна абсолютной температуре, так что с понижением температуры Л. приближается к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть Л. в 106 раз выше, чем у горных пород. Благодаря текучести Л. не накопляется беспредельно, а стекает с тех частей земной поверхности, где его выпадает больше, чем стаивает (см. Ледники). Вследствие очень высокой отражательной способности Л. (0,45) и особенно снега (до 0,95) покрытая ими площадь - в среднем за год около 72 млн. км2 в высоких и средних широтах обоих полушарий - получает солнечного тепла на 65% меньше нормы и является мощным источником охлаждения земной поверхности, чем в значительной мере обусловлена современная широтная климатическая зональность. Летом в полярных областях солнечная радиация больше, чем в экваториальном поясе, тем не менее температура остаётся низкой, т. к. значительная часть поглощаемого тепла затрачивается на таяние Л., имеющего очень высокую теплоту таяния.
Л. II, III и V длительное время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превышает -170°С. При нагревании приблизительно до -150°С они превращаются в кубический Л. (Л. Ic), не показанный на диаграмме, т. к. неизвестно, является ли он стабильной фазой. Др. способ получения Л. Ic - конденсация водяных паров на охлажденную до -120°С подложку. При конденсации паров на более холодной подложке образуется аморфный Л. Обе эти формы Л. могут самопроизвольно переходить в гексагональный Л. I, причём тем скорее, чем выше температура.
Л. IV является метастабильной фазой в зоне устойчивости Л. V. Л. IV легче образуется, а возможно и стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода. Кривая плавления льда VII исследована до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При этом давлении Л. VII плавится при температуре 400°С. Л. VIII является низкотемпературной упорядоченной формой Л. VII. Л. IX - метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении Л. III и по существу представляющая собой низкотемпературную его форму. Вообще явления переохлаждения и метастабильные равновесия очень характерны для фаз, образуемых водой. Некоторые из линий метастабильных равновесий обозначены на диаграмме пунктиром.
Полиморфизм Л. был обнаружен Г. Тамманом (1900) и подробно изучен П. Бриджменом (начиная с 1912). С 60-х гг. фазовая диаграмма воды, полученная Бриджменом, несколько раз дополнялась и уточнялась. В табл. 3 и 4 приведены некоторые данные о структурах модификаций Л. и некоторые их свойства.
Кристаллы всех модификаций Л. построены из молекул воды H2O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас (рис. 2). Каждая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. В структурах Л. I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный, т. е. угол между связями составляет 109°28'. Большая плотность Л. VII и VIII объясняется тем, что их структуры содержат по 2 трёхмерные сетки водородных связей (каждая из которых идентична структуре Л. Ic), вставленные одна в другую. В структурах Л. II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах Л. VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Данные о положениях протонов в структурах Л. менее определенны, чем атомов кислорода. Можно утверждать, что конфигурация молекулы воды, характерная для пара, сохраняется и в твёрдом состоянии (по-видимому, несколько удлиняются расстояния О - Н вследствие образования водородных связей), а протоны тяготеют к линиям, соединяющим центры атомов кислорода. Т. о. возможны 6 более или менее эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из них исключается, поскольку нахождение одновременно 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды. Она осуществляется в большинстве модификаций Л. - I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), так что, по выражению Дж. Бернала, Л. кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода. Во Л. II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены.
Табл. 3. - Некоторые данные о структурах модификаций льда
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Модифи | Сингония | Фёдоровская | Длины | Углы О-О-О в |
| кация | | группа | водородных | тетраэдрах |
| | | | связей, Å | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| I | Гексагональная | P63/mmc | 2,76 | 109,5 |
| Ic | Кубическая | F43m | 2,76 | 109,5 |
| II | Тригональная | R3 | 2,75-2,84 | 80-128 |
| III | Тетрагональная | P41212 | 2,76-2,8 | 87-141 |
| V | Моноклинная | A2/a | 2,76-2,87 | 84-135 |
| VI | Тетрагональная | P42/nmc | 2,79-2,82 | 76-128 |
| VII | Кубическая | Im3m | 2,86 | 109,5 |
| VIII | Кубическая | Im3m | 2,86 | 109,5 |
| IX | Тетрагональная | P41212 | 2,76-2,8 | 87-141 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Примечание. 1 A=10-10 м.
Табл. 4. - Плотность и статическая диэлектрическая проницаемость различных льдов
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Модификация | Темп-ра, | Давление, | Плотность, г/см | Диэлектрическая |
| | °С | Мн/м2 | 2 | проницаемость |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| I | 0 | 0,1 | 0,92 | 94 |
| Ic | -130 | 0,1 | 0,93 | - |
| II | -35 | 210 | 1,18 | 3,7 |
| III | -22 | 200 | 1,15 | 117 |
| V | -5 | 530 | 1,26 | 144 |
| VI | 15 | 800 | 1,34 | 193 |
| VII | 25 | 2500 | 1,65 | Лёд150 |
| VIII | -50 | 2500 | 1,66 | Лёд3 |
| IX | -110 | 230 | 1,16 | Лёд4 |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Л. в атмосфере, в воде, на земной и водной поверхности и в земной коре оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Он может вызывать ряд стихийных явлений с вредными и разрушительными последствиями (обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, градобития, метели и снежные заносы, речные заторы и зажоры с наводнениями, ледяные обвалы, разрыв корней растений при образовании слоев Л. в почве и др.). Прогнозирование, обнаружение, предотвращение вредных явлений, борьба с ними и использование Л. в различных целях (снегозадержание, устройство ледяных переправ, изотермических складов, облицовка хранилищ, льдозакладка шахт и т.п.) представляют предмет ряда разделов гидрометеорологических и инженерно-технических знаний (ледотехника, снеготехника, инженерное мерзлотоведение и др.), деятельности специальных служб (ледовая разведка, ледокольный транспорт, снегоуборочная техника, искусственное сбрасывание лавин и т.д.). Для некоторых видов спорта используются катки с искусственным охлаждением, позволяющие проводить соревнования на Л. в тёплое время года и в закрытом помещении. Природный Л. используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается (см. Ледник, Льдопроизводство).
Лит.: Шумский П. А., Основы структурного ледоведения, М., 1955; Паундер Э. Р., Физика льда, пер. с англ., М., 1967; Eisenberg D., Kauzmann W., The structure and properties of water, Oxf., 1969; Fletcher N. H., The chemical physics of ice, Camb., 1970.
Г. Г. Маленков.
Рис. 1. Фазовая диаграмма воды.
Рис. 2. Схема структуры льда I (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях.