Лёд

Определение "Лёд" в Большой Советской Энциклопедии

Структура льда (схема)

Лёд, вода в твёрдом состоянии; известно 10 кристаллических модификаций Лёд и аморфный Лёд На рис. 1 изображена фазовая диаграмма воды, из которой видно, при каких температурах и давлениях устойчива та или иная модификация. Наиболее изученным является Лёд 1 (табл. 1 и 2) — единственная модификация Лёд, обнаруженная в природе. Лёд встречается в природе в виде собственно Лёд (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Природный Лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме NH₄F) во Лёд крайне плохая. Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда. Общие запасы Лёд на Земле около 30 млн. км³. Имеются данные о наличии Лёд на планетах Солнечной системы и в кометах. Основные запасы Лёд на Земле сосредоточены в полярных странах (главным образом в Антарктиде, где толщина слоя Лёд достигает 4 км).

Фазовая диаграмма воды

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 0,0361 ккал/(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^-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	%
Ледники	2,4·1022	98,95	16,1	10,9 суши	1,48·105	2,5·1018	9580
Подземный лёд	2·1020	0,83	21	14,1 суши	9,52·103	6·1018	30—75
Морской лёд	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 лёд	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 Лёд на земной поверхности резкое отличие части свойств Лёд от свойств др. веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности Лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от промерзания до дна. Зависимость между установившейся скоростью течения и напряжением у поликристаллического Лёд 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 Лёд приближается к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть Лёд в 10⁶ раз выше, чем у горных пород. Благодаря текучести Лёд не накопляется беспредельно, а стекает с тех частей земной поверхности, где его выпадает больше, чем стаивает (см. Ледники). Вследствие очень высокой отражательной способности Лёд (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 Лёд, имеющего очень высокую теплоту таяния.

Лёд 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 Лёд (Лёд Ic), не показанный на диаграмме, т. к. неизвестно, является ли он стабильной фазой. Др. способ получения Лёд Ic — конденсация водяных паров на охлажденную до —120°С подложку. При конденсации паров на более холодной подложке образуется аморфный Лёд Обе эти формы Лёд могут самопроизвольно переходить в гексагональный Лёд I, причём тем скорее, чем выше температура.

Лёд IV является метастабильной фазой в зоне устойчивости Лёд V. Лёд 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 Лёд VII плавится при температуре 400°С. Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой Лёд VII. Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении Лёд 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 Лёд 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 Лёд и некоторые их свойства.

Кристаллы всех модификаций Лёд 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 Лёд I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный, т. е. угол между связями составляет 109°28". Большая плотность Лёд VII и VIII объясняется тем, что их структуры содержат по 2 трёхмерные сетки водородных связей (каждая из которых идентична структуре Лёд Ic), вставленные одна в другую. В структурах Лёд II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах Лёд VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Данные о положениях протонов в структурах Лёд 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 Лёд — I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), так что, по выражению Дж. Бернала, Лёд кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода. Во Лёд II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены.

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.

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

Модификация	Темп-ра, °С	Давление, Мн/м2	Плотность, г/см2	Диэлектрическая проницаемость
I Ic II III V VI VII VIII 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

  Лёд 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 Лёд в почве и др.). Прогнозирование, обнаружение, предотвращение вредных явлений, борьба с ними и использование Лёд 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 Лёд в тёплое время года и в закрытом помещении. Природный Лёд 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.

I (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях." href="/a_pictures/18/10/268737686.jpg">I (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях." src="a_pictures/18/10/th_268737686.jpg">
Рис. 2. Схема структуры льда I (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях.