Да, действительно. В настоящее время получены 14 различных структурных модификаций льда с различными свойствами. Среди них есть кристаллические (их большинство) и аморфные модификации, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и физическими свойствами (темературой плавления, кристаллизации и др.). Правда, все, кроме обычного льда I, кристаллизующего в гексагональной решетке, образуются в условиях, близких к космическим — при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия на Земле не встречаются. Но их можно моделировать в современных лабораториях. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.
Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в огромных количествах, снег и лед образуют особые структуры с принципиально иными, нежели у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Ледники, ледяные покровы, вечная мерзлота, сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: даже те, кто никогда не видел снега, чувствуют на себе дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, например, в виде многолетних колебаний уровня Мирового океана. Лед имеет столь большое значение для облика нашей планеты и комфортного обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду — криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.
Табл. 1. — Некоторые свойства льда I
|
Свойство
|
Значение
|
Примечание
|
|
Теплоемкость, кал/(г··°C)
Теплота таяния, кал/г
Теплота парообразования, кал/г
|
0,51 (0°C)
79,69
677
|
Сильно уменьшается с понижением температуры
|
|
Коэффициент термического расширения, 1/°C
|
9,1·10—5(0°C)
|
|
|
Теплопроводность, кал/(см сек··°C)
|
4,99·10—3
|
|
|
Показатель преломления:
для обыкновенного луча
для необыкновенного луча
|
1,309 (—3°C)
1,3104 (—3°C)
|
|
|
Удельная электрическая проводимость, ом—1·см—1
|
10—9(0°C)
|
Кажущаяся энергия активации 11ккал/моль
|
|
Поверхностная электропроводность, ом—1
|
10—10(—11°C)
|
Кажущаяся энергия активации 32ккал/моль
|
|
Модуль Юнга, дин/см
|
9·1010(—5°C)
|
Поликристаллич. лёд
|
|
Сопротивление, Мн/м2 :
раздавливанию
разрыву
срезу
|
2,5
1,11
0,57
|
Поликристаллический лёд
Поликристаллический лёд
Поликристаллический лёд
|
|
Средняя эффективная вязкость, пз
|
1014
|
Поликристаллический лёд
|
|
Показатель степени степенного закона течения
|
3
|
|
|
Энергия активации при деформировании и механической релаксации, ккал/моль
|
11,44—21,3
|
Линейно растет на 0,0361ккал/(моль·°C) 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=10-3н/м; 1 кал/(см(сек°С)=418,68 вт/(м (К); 1 пз=10-1 н (сек/м2.
Лёд II, III и V-й модификации длительное время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превышает —170°С. При нагревании приблизительно до —150°С лёд превращаются в кубический лёд Ic.
При конденсации паров воды на более холодной подложке образуется аморфный лёд. Обе эти формы льда могут самопроизвольно переходить в гексагональный лёд, причём тем скорее, чем выше температура.
Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он образуется гораздо легче и особенно стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода.
Кривая плавления льда V и VII исследована до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С.
Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII.
Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму.
Табл. 3. — Некоторые данные о структурах модификаций льда
|
Модифи
кация
|
Сингония
|
Фёдоровская группа
|
Длины водородных связей,
|
Углы О—О—О в тетраэдрах
|
|
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
|
Гексагональная
Кубическая
Тригональная
Тетрагональная
Моноклинная
Тетрагональная
Кубическая
Кубическая
Тетрагональная
|
P63/mmc
F43m
R3
P41212
A2/a
P42/nmc
Im3m
Im3m
P41212
|
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.
Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам чистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Этого удалось достичь с помощью катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.
К.х.н. О.В. Мосин
|
