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..