Лід

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Льодовик «Періто Морено», Аргентина
Сніжинки

Лід, крига (пол. lód, англ. ice, нім. Eis n) — вода в твердому стані.

Основні характеристики[ред.ред. код]

Відомо 10 кристалічних модифікацій льоду та аморфний лід. У природі лід представлений головним чином одним кристалічним різновидом із густиною 931 кг/м³. Під дією власної ваги лід здобуває пластичні властивості й плинність.

Лід зустрічається в природі у вигляді власне льоду (материкового, плаваючого, підземного), а також у вигляді снігу, інею тощо.

Природний лід звичайно значно чистіший, ніж вода, тому що розчинність речовин у льоду вкрай погана. Лід може містити механічні домішки — тверді частки, крапельки концентрованих розчинів, бульбашки газу. Наявністю кристаликів солі й крапельок розсолу пояснюється солонуватість морського льоду.

Загальні запаси льоду на Землі становлять близько 30 млн км³. Є дані про наявність льоду на планетах Сонячної системи та у кометах. Основні запаси льоду на Землі зосереджені в полярних країнах (головним чином в Антарктиді, де товщина льодового покрову досягає 4 км).

Штучний лід отримують охолодженням, що досягають шляхом розчинення деяких солей у воді чи кислотах або охолодженням при випаровуванні рідин у розрідженому просторі.

Лід — це тверда фаза оксиду водню хімічної будови Н2О. Містить (%): Н — 11,2; О — 88,8. Сингонія гексагональна. Вид дигексагонально-пірамідальний. Штучно одержано ще три модифікації льоду: лід-II; лід-III і лід-IV. Густина — 0,9175. Твердість — 1,5 (при +4 °С), 4,0 (– 44 °С) і 6,5 (–78,5 °С). Звичайно утворює агрегатні скупчення дрібнокристалічних зерен. Відомі також кристалічні утворення, які виникають при сублімаціях. Вони мають вигляд скелетних форм і фігур росту (дендрити), а також променистих агрегатів. Безбарвний, прозорий, у значних скупченнях синюватий. Блиск скляний. Крихкий. Утворюється лід у кріосфері при зниженні температури нижче 0 °С (льодовики, підземний лід тощо). За температури 0 °С плавиться, перетворюючись у воду. Дослідженням льоду займається кріологія. Найбільш вивченим є лід 1-ї модифікації — єдиної модифікації, виявленої в природі. Лід — одне з найпоширеніших твердих тіл на земній поверхні (близько 30 млн км3). У природі є багато видів льоду різного віку. Тривалість існування одних видів визначається годинами, вік інших — сотні тисяч років.

Властивість Значення Примітка
Теплоємність, кал/(г··°C) 0,51 (0 °C) Сильно зменшується зі зниженням температури
Теплота танення, кал/г 79,69  
Теплота паротворення, кал/г 677  
Коефіцієнт термічного розширення, 1/°C 9,1·10-5 (0 °C)  
Теплопровідність, кал/(див сек··°C) 4,99·10-3  
Показник заломлення для звичайного променя 1,309 (-3 °C)  
Показник заломлення для незвичайного променя 1,3104 (-3 °C)  
Питома електрична провідність, ом-1·см-1 10-9(0 °C) Гадана енергія активації 11ккал/моль
Поверхнева електропровідність, ом-1 10-10 (-11 °C) Гадана енергія активації 32ккал/моль
Модуль Юнга, дин/см 9·1010 (-5 °C) Поликристалічний лід
Опір, Мн/м²
роздавлюванню
розриву
зрізу
 
2,5
1,11
0,57
 
Полікристалічний лід
Полікристалічний лід
Полікристалічний лід
Середня ефективна в'язкість, пз 1014 Полікристалічний лід
Показник ступеня статичного закону плину 3  
Енергія активації при деформуванні й механічній релаксації, ккал/моль 11,44-21,3 Лінійно росте на 0,0361 ккал/(моль·°C) від 0 до 273,16 К

Лід як гірська порода[ред.ред. код]

Ruissalo ice.jpg

Лід – низькотемпературна мономінеральна гірська порода, найлегший мінерал. В умовах Землі він перебуває в стані, близькому до фазового переходу його у воду. Тому лід зустрічається тільки у верхніх шарах літосфери і гідросфери. Лід вельми стійкий відносно чужорідних домішок, не вступає з ними в хімічні взаємодії і не утворює твердих розчинів та зростків з кристалами інших речовин. Фізико-генетичні і петрографо-генетичні основи формування крижаних порід дозволяють поділити їх на конжеляційні, сеґреґаційні осадові і метаморфічні.

  • К о н ж е л я ц і й н и й лід утворюється внаслідок замерзання вільної води. Це крижане покривало морських і прісних водойм, лід швидко рухомих вод, внутрішньоводний або донний, крижане покривало відносно спокійних вод, крижані утворення у вигляді ефузивних порід, полію, натічних утворень, лід-цемент в мерзлих дисперсних гірських породах, тріщинний і поровий в гірських породах з жорсткими зв'язками, крижані ядра ін'єкційних горбів здимання, сталактитів і сталагмітів, вторинно-жильний лід в дисперсних мерзлих гірських породах, крижані шліри та інтрузивні пласти в мерзлих відкладах.
  • С е ґ р е ґ а ц і й н и й лід утворюється в промерзлих пилувато-глинистих гірських порід у процесі міграції зв'язаної води під впливом градієнтів температури і вологи. Він утворює шліри (прошарки, лінзи і включення, інші форми), які зумовлюють кріогенну текстуру дисперсних гірських порід, і мономінеральні пластові поклади (потужністю до декількох метрів), ядра міграційних горбів здимання.
  • Розрізнюють п'ять видів о с а д о в о г о льду: пухнастий сніг, хуртовинний сніг, дрібнозернистий сніг, зернистий сніг і сніг-пливун.
  • М е т а м о р ф і ч н и й лід формується в процесі зміни внутрішньої енергії або під впливом тиску і температури. До нього належить: фірн, первинний осадовий метаморфічний, динамометаморфічний (виникає під впливом високого різновекторного або орієнтованого тиску) і термометаморфічний лід (формується під впливом теплових процесів, що виникають у крижаній породі). За місцем розташування розрізняють поверхневий і підземний лід. Останній впливає на властивості мерзлих порід.

Фази льоду[ред.ред. код]

Фаза Характеристики[1][2]
Аморфний лід Аморфний лід не володіє кристалічною структурою. Він існує в трьох формах: аморфний лід низької щільності (LDA), що утворюється при атмосферному тиску і нижче, аморфний лід високої щільності (HDA) і аморфний лід дуже високої щільності (VHDA), що утворюється при високому тиску. Лід LDA отримують дуже швидким охолодженням рідкої води («надохолоджена склоподібна вода», HGW), або конденсацією водяної пари на дуже холодної підкладці («аморфна тверда вода», ASW), або шляхом нагрівання високощільних форм льоду при нормальному тиску(«LDA»).
Лід Ih Звичайний гексагональний кристалічний лід. Практично весь лід на Землі відноситься до льоду Ih, і тільки дуже мала частина - до льоду Ic.
Лід Ic Метастабільний кубічний кристалічний лід. Атоми кисню розташовані як у кристалічній решітці алмазу. Його отримують при температурі в діапазоні від −133 °C до −123 °C, він залишається стійким до -73 ° C, а при подальшому нагріванні переходить в лід Ih. Він зрідка зустрічається у верхніх шарах атмосфери.
Лід II Тригональний кристалічний лід з високовпорядкованою структурою. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лід III Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до −23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.
Лід IV Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лід V Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлаждении воды до −20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лід VI Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлаждении воды до −3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.
Лід VII Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.
Лёд VIII Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IX Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от −65 °C до −108 °C, стабилен при температуре ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.
Лёд X Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
Лёд XI Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.
Лёд XII Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и при давлении 810 МПа.
Лёд XIII Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIV Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XV Псевдоромбическая кристаллическая разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до −143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа[3].
Лёд XVI Кристаллическая разновидность льда с наименьшей плотностью (0,81 г/см3)[4] среди всех экспериментально полученных форм льда. Имеет строение топологически эквивалентное полостной структуре КС-II (англ. sII) газовых гидратов.

Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах от −173 °C до −133 °C показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры[5].

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]

  1. Фази льоду (англ.)
  2. Льодові узори високого тиску
  3. Впервые получен лёд XV
  4. Andrzej Falenty, Thomas C. Hansen & Werner F. Kuhs. Formation and properties of ice XVI obtained by emptying a type sII clathrate hydrate // Nature. — Vol. 516, P. 231–233 (11 December 2014) — DOI:10.1038/nature14014
    Цитування заповнять автоматично через кілька хвилин. Ви можете запрохати заповнення поза чергою або заповнити вручну
  5. A one-dimensional ice structure built from pentagons. Nature Materials. 8 March 2009 (англ.)