Лёд, вода в твёрдом состоянии; известно 10 кристаллических модификаций Лёд и аморфный Лёд На рис. 1 изображена фазовая диаграмма воды, из которой видно, при каких температурах и давлениях устойчива та или иная модификация. Наиболее изученным является Лёд 1 (табл. 1 и 2) — единственная модификация Лёд, обнаруженная в природе. Лёд встречается в природе в виде собственно Лёд (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Природный Лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме N H 4F) во Лёд крайне плохая. Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда. Общие запасы Лёд на Земле около 30 млн. км3. Имеются данные о наличии Лёд на планетах Солнечной системы и в кометах. Основные запасы Лёд на Земле сосредоточены в полярных странах (главным образом в Антарктиде, где толщина слоя Лёд достигает 4 км).
Табл. 1. — Некоторые свойства льда I
Теплота парообразования, кал/г
0,51 (0°C)
79,69
677
Сильно уменьшается с понижением температуры
Поликристаллический лёд
11,44—21,3
Линейно растет на 0,0361 ккал/(моль·°C) от 0 до 273,16 К
Табл. 2. — Количество, распространение и время жизни льда 1
суши
1,48·105
2,5·1018
9580
суши
9,52·103
6·1018
30—75
океана
1,34·102
3,3·1019
1,05
Земли
14,5
2·1019
0.3—0,5
океана
14,3
1,9·1018
4,07
Земли
3,3·10—1
3,9·1020
4·10—3
В связи с широким распространением воды и Лёд на земной поверхности резкое отличие части свойств Лёд от свойств др. веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности Лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от промерзания до дна. Зависимость между установившейся скоростью течения и напряжением у поликристаллического Лёд 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 Лёд приближается к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть Лёд в 106 раз выше, чем у горных пород. Благодаря текучести Лёд не накопляется беспредельно, а стекает с тех частей земной поверхности, где его выпадает больше, чем стаивает (см. Ледники ). Вследствие очень высокой отражательной способности Лёд (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 Лёд, имеющего очень высокую теплоту таяния.
Лёд 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 Лёд (Лёд Ic), не показанный на диаграмме, т. к. неизвестно, является ли он стабильной фазой. Др. способ получения Лёд Ic — конденсация водяных паров на охлажденную до —120°С подложку. При конденсации паров на более холодной подложке образуется аморфный Лёд Обе эти формы Лёд могут самопроизвольно переходить в гексагональный Лёд I, причём тем скорее, чем выше температура.
Лёд IV является метастабильной фазой в зоне устойчивости Лёд V. Лёд 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 Лёд VII плавится при температуре 400°С. Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой Лёд VII. Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении Лёд 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 Лёд 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 Лёд и некоторые их свойства.
Кристаллы всех модификаций Лёд построены из молекул воды H 2O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас (рис. 2). Каждая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. В структурах Лёд I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный, т. е. угол между связями составляет 109°28". Большая плотность Лёд VII и VIII объясняется тем, что их структуры содержат по 2 трёхмерные сетки водородных связей (каждая из которых идентична структуре Лёд Ic), вставленные одна в другую. В структурах Лёд II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах Лёд VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Данные о положениях протонов в структурах Лёд 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 Лёд — I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), так что, по выражению Дж. Бернала , Лёд кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода. Во Лёд II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены.
Табл. 3. — Некоторые данные о структурах модификаций льда
IX
Гексагональная
Кубическая
Тригональная
Тетрагональная
Моноклинная
Тетрагональная
Кубическая
Кубическая
Тетрагональная
P 63/mmc
F 43m
R3
P 41212
A2/a
P 42/nmc
I m3m
I m3m
P 41212
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
Табл. 4. — Плотность и статическая диэлектрическая проницаемость различных льдов
—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
Лёд 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 Лёд в почве и др.). Прогнозирование, обнаружение, предотвращение вредных явлений, борьба с ними и использование Лёд 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 Лёд в тёплое время года и в закрытом помещении. Природный Лёд 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. 1. Фазовая диаграмма воды.
I (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях." href="/a_pictures/18/10/268737686.jpg">I (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях." src="a_pictures/18/10/th_268737686.jpg">
Рис. 2. Схема структуры льда I (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях.
