Лед

Лед (далее Л), вода в твердом состоянии; известно 10 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 4) во Л крайне плохая. Л может содержать механические примеси — твердые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием 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 Свойство Значение Примечание Теплоемкость, кал/(г··°) Теплота таяния, кал/г Теплота парообразования, кал/г 0,51 (0°) 79,69 677 Сильно уменьшается с понижением температуры Коэффициент термического расширения, 1/° 9,1·10—5 (0°) Теплопроводность, кал/(см сек··°) 4,99·10—3 Показатель преломления:   для обыкновенного луча   для необыкновенного луча 1,309 (—3°) 1,3104 (—3°) Удельная электрическая проводимость, ом—1·см—1 10—9 (0°) Кажущаяся энергия активации 11ккал/моль Поверхностная электропроводность, ом—1 10—10 (—11°) Кажущаяся энергия активации 32ккал/моль Модуль Юнга, дин/см 9·1010 (—5°) Поликристаллич. лед Сопротивление, Мн/м2 :   раздавливанию   разрыву   срезу 2,5 1,11 0,57 Поликристаллический лед Поликристаллический лед Поликристаллический лед Средняя эффективная вязкость, пз 1014 Поликристаллический лед 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/(моль·°) 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 % Лники 2,4·1022 98,95 16,1 10,9 суши 1,48·105 2,5·1018 9580 Подземный лед 2·1020 0,83 21 14,1 суши 9,52·103 6·1018 30—75 Морской лед 3,5·1019 0,14 26 7,2 океана 1,34·102 3,3·1019 1,05 Снежный покров 1,0·1019 0,04 72,4 14,2 Земли 14,5 2·1019 0.3—0,5 Айсберги 7,6·1018 0,03 63,5 18,7 океана 14,3 1,9·1018 4,07 Атмосферный лед 1,7·1018 0,01 510,1 100 Земли 3,3·10—1 3,9·1020 4·10—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 водоемы от промерзания до дна. Зависимость между установившейся скоростью течения и напряжением у поликристаллического Л гиперболическая; при приближенном описании ее 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 твердому 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. Лники). 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 остается низкой, т. к. значительная часть поглощаемого тепла затрачивается на таяние Л, имеющего очень высокую теплоту таяния.   Л , и 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 , причем тем скорее, чем выше температура.   Л является метастабильной фазой в зоне устойчивости Л . Л легче образуется, а возможно и стабилен, если давлению подвергается тяжелая вода. Кривая плавления льда исследована до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При этом давлении Л плавится при температуре 400°С. Л является низкотемпературной упорядоченной формой Л . Л IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении Л 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.   всех модификаций Л построены из молекул воды 2, соединенных связями в трехмерный каркас (рис. 2). Каждая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. В структурах Л , Ic, и этот тетраэдр правильный, т. е. угол между связями составляет 109°28". Большая плотность Л и объясняется тем, что их структуры содержат по 2 трехмерные сетки связей (каждая из которых идентична структуре Л Ic), вставленные одна в другую. В структурах Л , , и тетраэдры заметно искажены. В структурах Л , и можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы связей. Данные о положениях протонов в структурах Л менее определенны, чем Можно утверждать, что конфигурация молекулы воды, характерная для пара, сохраняется и в твердом состоянии (по-видимому, несколько удлиняются расстояния О — Н вследствие образования связей), а протоны тяготеют к линиям, соединяющим центры 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 связи маловероятно, но остается достаточная неопределенность в ориентации молекул воды. Она осуществляется в большинстве модификаций Л — , , , и (и по-видимому в Ic), так что, по выражению Дж. Бернала, Л в отношении и стеклообразен в отношении Во Л , и IX молекулы воды ориентационно упорядочены. Табл. 3. — Некоторые данные о структурах модификаций льда Модифи кация Сингония Федоровская группа Длины связей, Углы О—О—О в тетраэдрах Ic IX Гексагональная Кубическая Тригональная Тетрагональная Моноклинная Тетрагональная Кубическая Кубическая Тетрагональная 63/mmc 43m R3 41212 A2/a 42/nmc m3m m3m 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   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 Ic 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 теплое 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. Лник, Льдопроизводство).     Лит.: Шумский П. А., Основы структурного ледоведения, М., 1955; Паундер Э. Р., Физика льда, пер. с англ., М., 1967; Eisenberg D., Kauzmann ., The structure and properties of water, Oxf., 1969; Fletcher . ., The chemical physics of ice, Camb., 1970.   Г. Г. Маленков.