Лёд: как он образуется и какие свойства у воды в твердом состоянии

Вода может находиться в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном. Только газообразное состояние точно соответствует классической формуле молекулы воды H2О. Два других (жидкое и твердое) более сложны, и именно эта сложность придает им исключительные свойства. Узнаем, лёд — что это за субстанция и какие его свойства наиболее интересны.

Физико-химические свойства льда

Лёд — это твёрдое агрегатное состояние воды. Химическая формула — Н2О, соответственно, соотношение водорода и кислорода: 11,2% и 88.8%. В кристаллической решётке каждый атом кислорода находится в центре тетраэдра, образованного четырьмя другими атомами кислорода, на расстоянии примерно на 2,76 ангстрем. Атомы водорода расположены в произвольном порядке.

Атомы соединяются в молекуле с использованием водородных связей. Они включают атом водорода одной молекулы и атом кислорода другой молекулы. Такие связи довольно сложно разорвать и поэтому это агрегатное состояние очень стабильно. Как образуется лед и что он собой представляет? Лёд в природе существует в диапазоне температур от 0 до -80°С. Температура плавления льда — 0°С.

Почему айсберги плавают по воде

Хотя почти все материалы более плотны в твердом состоянии, чем в жидком, айсберги плавают в океане, а кубики льда не тонут в стакане. Обычно, когда вещество замерзает, его молекулы сближаются. Но у воды есть одна аномалия: ее максимальная плотность достигается при 4°C и начинает уменьшаться при более низких  температурах. Это означает, что при одном объеме в кубике льда меньше молекул, чем в жидкой воде, поэтому он легче.

Интересно! Айсберги: как они образуются, основные виды

При равных количествах вещества лед занимает больший объем, чем жидкая вода. Это связано с водородными связями. Устанавливая свои связи, молекулы воды принимают пространственное расположение, которое приводит к компактной структуре льда и имеет очень специфическое поведение. Поскольку лед менее плотный, чем жидкая вода, он плавает по воде.

Немногие вещества обладают этой характеристикой:

• вода;
• висмут;
• сурьма.

Почему водоёмы замерзают, начиная с поверхности

Одним из наиболее специфических физических свойств воды является то, что когда она замерзает в озерах, реках, она начинает замерзать не со дна, а с поверхности. Это связано с тем, что лед легче воды. Вода увеличивается в объеме по мере затвердевания, поэтому ее плотность будет меньше.

Плотность льда — 0,920 г/см³. Плотность воды — 0,997 г/см³.

Коэффициент изотермической сжимаемости невелик, но достаточен для снижения уровня моря на 40 метров. В результате, когда происходят сильные атмосферные понижения, связанные со штормами, уровень моря поднимается. Поверхностное натяжение также очень велико, что позволяет воде проникать повсюду, в расщелины, в скалы. Когда она замерзает, способна даже разбивать камни. Лёд играет важную роль в формировании наших ландшафтов.

Теплоемкость льда

Теплоёмкость льда небольшая, по сравнению с водой.

С воды=4200 Дж/кг*сек

С льда=2100 Дж/кг*сек

Это объясняется анизотропностью кристаллической решётки льда.

Интересно! Вода — удивительное вещество для планеты. Свойства и значение

Разные типы льда

Гляциология занимается изучением льда на планете Земля. Различаются следующие виды льда:

• атмосферный;
• ледниковый (глетчерный);
• подземный;
• морской.

Атмосферный лёд образуется на поверхности планеты и существует в виде осадков: снега, града, инея.

Глетчерный, или ледниковый лёд — это накопленная масса льда. Самые большие ледники находятся в Антарктиде. Антарктический шельфовый ледник занимает более миллиона квадратных километров, а толщина льда составляет более 700 м.

Основная часть подземного льда находится в Северном полушарии в верхних слоях земной коры. Это огромная масса от 300 до 500 млн к³.

Морской лёд образуется в Мировом океане. Ледяной покров у берега или мелководья называется припай. Он может простираться на тысячи километров.

Морской многолетний паковый лёд существует десятки лет и достигает толщины более 3 м.

Дрейфующий, плавучий лёд — это обломки льдин и айсберги. Айсберги бывают огромного размера. По мере дрейфа к экватору площадь и объём этих образований уменьшаются.

Лёд во Вселенной

При низком давлении и низкой температуре межзвездная вода присутствует в виде пара или аморфного льда. Это связано с тем, что в зависимости от температуры и давления водяной лед может иметь различные типы кристаллической структуры. На Земле он имеет форму шестиугольной решетки. Между -70°C и -140°C он имеет форму кубической решетки. При температурах ниже -140°C он является аморфным (наиболее распространенная форма в межзвездной среде).

Виды льда

Перси Уильямс, нобелевский лауреат по физике 1946 г., ещё в 1912 году описал несколько видов льда. Уильямс исследовал то, как ведут себя вещества при высоких давлениях. Он описал 5 или 6 различных видов льда, которые могут быть получены в лабораторных исследованиях. Эти виды отличаются строением кристаллической решётки и теми связями, которые задействованы в объединении атомов в регулярную структуру.

Параметры различных видов льда

Ih — это обычный лёд, который повсеместно встречается на Земле.

Ic отличается ромбовидной кристаллической решёткой.

Лёд II получится, если лёд Ih сжимать при температуре от -63 до -83°С и давлении 300МПа или, наоборот, путём декомпрессии льда V, при температуре -35°С. Если нагревать лёд II, он может преобразоваться в лёд III.

Астрофизики предполагают, что некоторые спутники планет-гигантов могут состоять изо льда II.

Другие сведения:

1. Лёд III может быть получен при температуре -22°С при давлении 210 МПа.
2. Лёд IV образуется, если медленно нагревать аморфный лёд высокой плотности от температуры 145К, при давлении 0,81Па.
3. Лёд V получается, если при давлении 500МПа охладить воду до -20°С (253К). Этот лёд имеет самую сложную структуру и тает при 50°С.
4. Лёд VI можно получить, если воду охлаждать до -3,2°С (270К) при давлении 1,1 ГПа. Этот лёд тает при температуре 355К (81°С) при давлении 2,216 ГПа. Если же давление 0,6 ГПа, то этот лёд растает при 0°С. Астрофизики предполагают, что из такого льда состоят внутренние слои Титана.
5. Лёд VII — это лёд с неупорядоченной кристаллической решёткой. В нем не упорядочены наряду с атомами водорода и атомы кислорода. Под давлением 0,3ГПа его можно получить при охлаждении воды до комнатной температуры, либо при увеличении давления при комнатной температуре изо льда VI.
6. Лёд VIII можно получить изо льда VII, охлаждая его ниже 5°С.
7. Лёд IX существует при температуре ниже 140К и давлении 200-400 МПа. Его можно получить при охлаждении льда III.

К 2021 году физики описали 19 вариантов льда. И, возможно, впереди ещё новые открытия такого, казалось бы, простого вещества как лёд. Все эти виды отличаются друг от друга строением кристаллической решётки.

Применение льда

Лёд применяется не только для охлаждения напитков и хранения пищевых продуктов, создания катков и бобслейных трасс. Лёд широко используется в промышленности и науке.

Лёд применяется в криохимии, криофизике, криобиологии. Это науки, которые изучают состояние вещества и живых организмов при низких и сверхнизких температурах. Учёные исследуют свойства воды в твердом состоянии.

Это очень важно и для всех наук космического направления, потому что во Вселенной мы повсюду сталкиваемся с низкими и сверхнизкими температурами. Свойства модификаций льда могут проявляться во всём своём разнообразии.

Комментарий эксперта: Алексей Санин, физик

Людям, далёким от науки, кажется, что все эти свойства льда очень далеки от нашей жизни. Но при больших давлениях вода может стать льдом и при высоких температурах. Представьте, что вода попала в смазку колеса турбины, где при работе возникает очень большое давление. Могут образоваться кристаллы льда, которые повредят механизм, что приведёт к катастрофе. И таких примеров может быть немало. В своём романе «Колыбель для кошки или «Лёд №9» Курт Воннегут описал фантастическое вещество. Но кто знает, вдруг это совсем близко к реальности?

Лёд — это твёрдое агрегатное состояние воды. Его свойства изучает наука гляциология. Плотность льда меньше, чем воды, поэтому он всплывает на поверхность. Наука открыла много типов льда, которые на Земле практически не встречаются, но могут представлять большой интерес при изучении космоса. Эти модификации отличаются строением кристаллической решётки, что меняет свойства вещества. Лед и свойства вещества при низких температурах очень интересуют учёных по сей день.