При какой температуре замерзает вода

На этот вопрос любой, не задумываясь, ответит: при нуле градусов. Проведём небольшой опыт и посмотрим, всегда ли это так.

Для опыта понадобится стакан из тонкого пластика. Стеклянная посуда не годится: при замерзании вода расширяется почти на 10% (именно поэтому лёд плавает) и разрывает хрупкий материал. Стакан нужно тщательно промыть и, не вытирая, высушить, повернув дном кверху, чтобы внутрь не попала пыль.

Воду используйте очень чистую, хорошо прокипячённую (а ещё лучше дистиллированную — она продаётся в аптеках). Стакан с водой в морозный день при –2 — –5°С поставьте за окно, прикрыв кусочком чистого стекла и защитив от прямых солнечных лучей. Через несколько часов содержимое стакана охладится ниже нуля, но останется жидким (если, конечно, все рекомендации были выполнены аккуратно).

Осторожно откройте стакан и бросьте в воду маленький кусочек льда, щепотку снега или просто пыли. На ваших глазах вода мгновенно замёрзнет, прорастая по всему объёму длинными кристаллами.

Столь странное поведение воды объясняется особенностями процесса кристаллизации. Превращение жидкости в кристалл происходит в первую очередь на примесях и неоднородностях — частичках пыли, пузырьках воздуха, царапинах на стенках сосуда. Чистая вода центров кристаллизации практически лишена, поэтому она может переохлаждаться, и довольно сильно, оставаясь жидкой. В лабораторных условиях температуру воды, правда, в очень малых объёмах, удавалось довести до –70°С.

Похожие явления можно наблюдать и в природе. Многие путешественники давно отмечали, что глубокой осенью очень чистые речки и ручьи начинают замерзать со дна. Сквозь слой чистой воды хорошо видно, что водоросли и коряги на дне обрастают рыхлой ледяной шубой. В какой-то момент этот донный лёд всплывает, и поверхность воды мгновенно оказывается скованной ледяной коркой.

К подобным сообщениям всегда относились довольно скептически. Температура верхних слоёв воды ниже, чем глубинных, и замерзание вроде бы должно начинаться с поверхности. Однако чистая вода замерзает неохотно, и лёд в первую очередь образуется там, где имеются взвесь ила и твёрдая поверхность, — возле дна.

Ниже по течению от водопадов и водосбросов плотин часто появляется губчатая масса внутриводного льда, вырастающего во вспененной воде. Поднимаясь на поверхность, она порой забивает всё русло, образуя так называемые зажоры, которые могут даже запрудить речку. Известен случай, когда содержимое хорошо охлаждённой в морозильнике бутылки нарзана, открытой жарким летним днём, мгновенно превратилось в кусок льда.

Почему лёд плавает

Итак, вода остыла, начала замерзать, и по её поверхности поплыли льдины. Но плотность веществ с понижением температуры обычно растёт, а вода этой закономерности не подчиняется. Почему же лёд оказывается легче воды?

Многие считают, что в толще льда остаются многочисленные поры и промежутки, заполненные воздухом. Пузырьки воздуха действительно нередко вмерзают в лёд, и такая „губка“ становится значительно легче воды. Но даже лёд без микроскопических пор и трещин имеет плотность 0,9168 г/см 3 при 0°С, а вода при той же температуре — 0,9984 г/см 3. Дело, значит, только в особенностях структуры льда и воды.

Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H2O  (чёрные   шарики)  в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок“. Молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они располагаются так, что выпуклости  (соответствующие  атомам  водорода)  ориентируются строго по направлению двух соседних молекул. В результате возникает трёхмерная кристаллическая решётка, состоящая из почти идеальных тетраэдров. Каждая молекула в его вершинах окружена четырьмя другими (физики  говорят: координационное число льда  равно 4) .

У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение её молекул всё время меняется. Но в любой момент каждую молекулу воды окружают от 4 до 5 „соседок“, так что среднее их число оказывается равным 4,4. Это означает, что молекулы воды в жидкости располагаются теснее, чем в кристалле, вода плотнее льда. Относительные изменения величин координационногочисла (10%) и плотности (9%) очень хорошо совпадают по величине.

Когда лёд тает, освободившиеся холодные молекулы обладают малой энергией и низкой подвижностью. Вначале они сохраняют структуру кристаллической решётки, и плотность воды остаётся низкой. Постепенно регулярный порядок молекул размывается, они группируются теснее, и плотность воды растёт. При температуре 4°С она достигает максимума(0,999973 г/см 3), а потом начинает падать из-за теплового движения молекул, которое становится всё активнее по мере нагрева.

Подобным образом ведут себя и некоторые металлы, например чугун. Это позволяет использовать его как материал для художественного литья. При застывании чугун расширяется и заполняет все, даже самые тонкие детали формы. Чугунные кружевные решётки и настольные скульптуры по моделям известных художников издавна отливали в уральском городе Касли.

Что происходит при кристаллизации

Посмотрим теперь, что происходит при замерзании воды и образовании кристаллов льда. В стакан (всё тот же, пластмассовый) с водой налейте немного чернил, акварельной краски или чайной заварки. Укутайте его верхнюю часть слоем теплоизоляции (шерстяной тканью,поролоном), чтобы слой льда нарастал от дна стакана к поверхности воды, и выставьте на мороз. Можно предполагать, что через несколько часов в стакане окажется кусок окрашенного льда. Были даже советы эти цветные льдинки развешивать на уличных ёлках. Разноцветного льда, однако, так получить не удастся.

Лед — вещество очень чистое. В растворах краски и солей образуется прозрачный пресный лёд: растущие кристаллы вытесняют примеси. Ледяной цилиндрик, вынутый из стакана, выглядит очень любопытно. В нижней его части, там, где начиналось замерзание воды, располагается абсолютно прозрачный лёд. Верхняя же его часть окрашена, и гораздо более интенсивно, чем сам раствор. Граница между двумя областями бывает настолько резка, что кажется — это два совершенно разных вещества. Если концентрация краски слишком велика, на поверхности льда может даже остаться лужица её раствора. Почему же лёд „не хочет“ делаться цветным?

Кристалл стремится вырасти как можно более правильным — это „выгодно“ с точки зрения его внутренней энергии. А любые примеси искажают форму решётки. Поэтому растущий кристалл вытесняет любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить идеальную решетку, пока это возможно. И только когда примесям деваться уже некуда, он начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде капсул с концентрированной жидкостью. Поэтому морской лёд пресный, а даже самые грязные лужи покрываются прозрачным и чистым льдом.

На Дону и Кубани, где издавна выращивали виноград и делали сухие вина, зимой готовят крепкие напитки — „выморозки“. Для этого продукт естественного брожения — вино крепостью10–12 градусов — выставляют на мороз. В растворе в первую очередь замерзает вода, и остаётся более концентрированный раствор спирта. Его сливают и повторяют операцию до тех пор, пока не добьются нужной крепости. Чем выше концентрация спирта в растворе, тем ниже температура его замерзания:

Раствор этилового спирта в % по весу11 20 24 30 40 56 72 Температура замерзания в °С–5 –11 –14 –19 –25 –41 –51

Водопроводная вода содержит примерно сто частей примесей на миллион частей воды(в основном это хлор, растворённый для дезинфекции, поваренная соль, которая есть везде, и твёрдые микрочастицы). Дистилляцией в обычных лабораторных условиях их количество нетрудно понизить раз в сто, получив воду с чистотой 99,9999%. Если же сосуд с этой водой медленно охлаждать с одной стороны, получится лёд с чистотой уже до шести девяток после запятой. В нём отыщется только одна частица примеси на сто миллионов частиц воды.

В минералогических коллекциях нередко можно видеть, например, прозрачные кристаллы корунда Al2O3, которые заканчиваются рубиновой „шапочкой“. Это растущий кристалл „собрал“ со всего объёма примесь — ионы хрома Cr 3+, которые превращают бесцветный корунд в красный рубин.

Свойство растущего кристалла вытеснять примеси используют в технике для очистки материалов методом зонной плавки. Образец проходит сквозь кольцевую печь; в ней он плавится, а за ней кристаллизуется. Примеси непрерывно переходят из зоны кристаллизации в расплав и постепенно мигрируют вдоль образца в его конец.

Прозрачный лёд и белый снег

Белый свет, падающий на снег, не поглощается, а многократно преломляется в ледяных кристаллах и отражается от их граней. Поэтому снег выглядит белым. Лёд, выжимая примеси из своей кристаллической решётки, становится прозрачным. Снег же, который состоит из микроскопических кристалликов льда, непрозрачен. В чём же причина столь разных оптических свойств одного и того же вещества?

Видимый свет льдом практически не поглощается, но задерживает весь ультрафиолет и большую часть инфракрасного излучения. В этих областях спектра лёд выглядит абсолютно чёрным. Как это ни странно, причина здесь одна. Лёд практически не поглощает видимый свет. И если бы лёд не был прозрачным, снег не был бы белым. Световые лучи проходят ледяную пластинку насквозь, а в слое снега испытывают многократное отражение и выходят обратно, не потеряв ни одного из компонентов спектра. Но если бы мы могли видеть инфракрасное излучение и ультрафиолет, снег казался бы нам абсолютно чёрным: коэффициент поглощения света в этих областях спектра очень велик.

Иней, снег и бельё на морозе

Выстиранное и еще влажное бельё вывесили морозным днём на балкон. Через несколько минут влажные простыни замёрзли и стали похожими на листы картона или фанеры. Однако черездвое-трое суток они снова стали мягкими, эластичными и практически сухими. Куда же из ткани девался лёд?

Он перешёл из твёрдой кристаллической фазы непосредственно в пар, минуя плавление. Такое „сухое“ испарение называется возгонкой. Возгонка льда возможна практически при любой отрицательной температуре, но при одном условии: в воздухе не должно быть паров воды.

Посмотрим, как происходит возгонка.

Перенесите на лист бумаги несколько свежевыпавших снежинок. Их шестигранная форма и тонкий рисунок лучей видны достаточно хорошо. Положите лист со снежинками в коробку и оставьте на морозе. Через несколько дней красивые снежинки превратятся в ледяные крупинки округлой формы. Площадь поверхности снежинок очень велика, поэтому и возгонка происходит быстро. Вода в мокром белье замерзает тоже мелкими кристалликами, которые исчезают за несколько дней. Лёд на луже, конечно, испаряется тоже, но настолько медленно, что заметить это невозможно.

Интересно, что иней на деревьях и снег в тучах образуются в результате процесса, обратного возгонке, — так называемой сублимации, прямого перехода водяного пара в твёрдую фазу. Центрами кристаллизации здесь служат микроскопические пылинки и кристаллики соли, взвешенные в воздухе.

Ледяные зёрна и звёзды

Внесите кусок чистого льда в тёплую комнату и понаблюдайте за тем, как он тает. Довольно быстро выяснится, что лёд, казавшийся монолитным и однородным, распадается на множество мелких зёрен — отдельных кристаллов. В объёме льда они расположены хаотично. Невооружённым взглядом увидеть этого нельзя, но в поляризованном свете ориентация кристаллов станет хорошо заметной.

„Звездочки Тиндаля“, похожие на снежинки, на самом деле впадинки на поверхности подтаявшего льда размером  1,5–2 миллиметра , заполненные водой. В их центре видны воздушные пузырьки, возникшие  из-за  разности объёмов растаявшего льда и талой воды. Для опыта понадобятся два поляризационных светофильтра  (они  продаются в магазинах  фотопринадлежностей) . Из сосульки  (её лёд  имеет наиболее выраженное  строение) вырежьте пластинку в поперечном направлении и сошлифуйте её до толщины около миллиметра. Зажмите кружок между поляризаторами и посмотрите на просвет. Вы увидите мозаику из разноцветных пятен. Каждое пятнышко — это срез отдельного кристаллического зерна. При повороте одного из фильтров цвета кристалликов будут меняться.

Поляризатор вырезает из световой волны колебания только в одной плоскости. Поляризованный свет кристалл разделяет на две волны, идущие с разными скоростями (этоследствие анизотропии кристалла, различия его характеристик по разным направлениям). Волны складываются и интерферируют так, что все цвета, кроме одного, гаснут. Какой именно цвет остаётся, зависит от ориентации кристалла.

Не менее интересную картину можно увидеть, когда лёд плавится с поверхности.

Поднесите к лампе гладкий кусок льда и подождите, пока он начнёт плавиться. Когда плавление затронет внутренние зёрна, там начнут появляться очень мелкие узоры. В сильную лупу видно, что они имеют форму шестиугольных снежинок. На самом же деле это протаявшие впадинки, заполненные водой. Форма и направление их лучей соответствуют ориентации монокристаллов льда. Эти узоры называются „звёздочками Тиндаля“ в честь английского физика, открывшего и описавшего их в 1855 году.