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

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

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

Примечание. 1 A=10^-10 м.

Табл. 4. — Плотность и статическая диэлектрическая проницаемость различных льдов

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.