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/(гЇЇ?C)

Теплота таяния, кал/г
Теплота парообразования, кал/г
0,51 (0?C)
79,69
677
Сильно уменьшается с понижением температуры
Коэффициент термического расширения, 1/?C
9,1Ї10^-5 (0?C)
Теплопроводность, кал/(см секЇЇ?C)
4,99Ї10^-3
Показатель преломления:
для обыкновенного луча
для необыкновенного луча
1,309 (-3?C)
1,3104 (-3?C)
Удельная электрическая проводимость, ом^-1Їсм^-1
10^-9 (0?C)
Кажущаяся энергия активации 11ккал/моль
Поверхностная электропроводность, ом^-1
10^-10 (-11?C)
Кажущаяся энергия активации 32ккал/моль
Модуль Юнга, дин/см
9Ї10¹⁰ (-5?C)
Поликристаллич. лёд
Сопротивление, Мн/м² :
раздавливанию
разрыву
срезу
2,5
1,11
0,57
Поликристаллический лёд
Поликристаллический лёд
Поликристаллический лёд
Средняя эффективная вязкость, пз
10¹⁴
Поликристаллический лёд
Показатель степени степенного закона течения
3
Энергия активации при деформировании и механической релаксации, ккал/моль
11,44-21,3
Линейно растет на 0,0361 ккал/(мольЇ?C) от 0 до 273,16 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 распространения Средняя концен
трация, г/см² Скорость прироста массы, г/год Среднее время жизни, год г % млн. км² % Ледники 2,4Ї10²² 98,95 16,1 10,9 суши 1,48Ї10⁵ 2,5Ї10¹⁸ 9580 Подземный лёд 2Ї10²⁰ 0,83 21 14,1 суши 9,52Ї10³ 6Ї10¹⁸ 30-75 Морской лёд 3,5Ї10¹⁹ 0,14 26 7,2 океана 1,34Ї10² 3,3Ї10¹⁹ 1,05 Снежный покров 1,0Ї10¹⁹ 0,04 72,4 14,2 Земли 14,5 2Ї10¹⁹ 0.3-0,5 Айсберги 7,6Ї10¹⁸ 0,03 63,5 18,7 океана 14,3 1,9Ї10¹⁸ 4,07 Атмосферный лёд 1,7Ї10¹⁸ 0,01 510,1 100 Земли 3,3Ї10^-1 3,9Ї10²⁰ 4Ї10^-3
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
кация Сингония Фёдоровская группа Длины водородных связей, Углы О-О-О в тетраэдрах I Ic II III V VI VII VIII IX Гексагональная Кубическая Тригональная Тетрагональная Моноклинная Тетрагональная Кубическая Кубическая Тетрагональная P6₃/mmc F43m R3 P4₁2₁2 A2/a P4₂/nmc Im3m Im3m P4₁2₁2 2,76 2,76 2,75-2,84 2,76-2,8 2,76-2,87 2,79-2,82 2,86 2,86 2,76-2,8 109,5 109,5 80-128 87-141 84-135 76-128 109,5 109,5 87-141
Примечание. 1 A=10^-10 м.
Табл. 4. - Плотность и статическая диэлектрическая проницаемость различных льдов
Модификация Темп-ра, ?С Давление, Мн/м² Плотность, г/см² Диэлектрическая проницаемость I Ic II III V VI VII VIII IX 0 -130 -35 -22 -5 15 25 -50 -110 0,1 0,1 210 200 530 800 2500 2500 230 0,92 0,93 1,18 1,15 1,26 1,34 1,65 1,66 1,16 94 - 3,7 117 144 193 ~150 ~3 ~4
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.