Лід

Лід, кри́га — вода в твердому кристалічному стані, замерзла вода[2].

Лід
Наступник рідка водаd
З матеріалу вода
Хімічна формула H₂O
Густина 0,9167 г/см³
Кристалічна система гексагональна сингонія
Твердість за шкалою Мооса 1,5[1]
 Лід у Вікісховищі
Льодовик «Періто Морено», Аргентина
Сніжинки

Основні характеристики

В даний час відомо три аморфних різновиди (за густиною) та 18[3] кристалічних модифікацій льоду. 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/г79,69 
Теплота паротворення, кал/г677 
Коефіцієнт термічного розширення, 1/°C9,1·10−5 (0 °C) 
Теплопровідність, кал/(див сек··°C)4,99·10-3 
Показник заломлення для звичайного променя1,309 (-3 °C) 
Показник заломлення для незвичайного променя1,3104 (-3 °C) 
Питома електрична провідність, ом−1·см−110−9(0 °C)Гадана енергія активації 11 ккал/моль
Поверхнева електропровідність, ом−110−10 (-11 °C)Гадана енергія активації 32 ккал/моль
Модуль Юнга, дин/см9·1010 (-5 °C)Полікристалічний лід
Опір, Мн/м²
роздавлюванню
розриву
зрізу		  
2,5
1,11
0,57		  
Полікристалічний лід
Полікристалічний лід
Полікристалічний лід
Середня ефективна в'язкість, пз1014Полікристалічний лід
Показник ступеня статичного закону плину3 
Енергія активації при деформуванні й механічній релаксації, ккал/моль11,44-21,3Лінійно росте на 0,0361 ккал/(моль·°C) від 0 до 273,16 К

Лід як гірська порода

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, сегрегаційні осадові і метаморфічні.

  • Конжеляційний 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, полою, 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.
  • Сегрегаційний 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 осадового льоду: пухнастий сніг, хуртовинний сніг, дрібнозернистий сніг, зернистий сніг і сніг-пливун.
  • Метаморфічний 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
Фаза Характеристики[4][5]
Аморфний лід Аморфний лід не має кристалічної структури. 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. Утворюється з льоду Ih при стисненні температурах від −83 °C до −63 °C. При нагріванні він перетворюється у лід III.
Лід III Тетрагональний кристалічний лід, який виникає при охолодженні води до −23 °C і тиску 300 МПа. Його щільність більше, ніж у води, але він найменш щільний з усіх різновидів льоду в зоні високих тисків.
Лід IV Метастабільний тригональний лід. Його важко отримати без затравки.
Лід V Моноклінний кристалічний лід. Виникає при охолодженні води до −20 °C і тиску 500 МПа. Має найбільш складну структури у порівнянні з усіма іншими модифікаціями.
Лід VI Тетрагональний кристалічний лід. Виникає при охолодженні води до −3 °C і тиску 1,1 ГПа. У ньому проявляється дебаївська релаксація.
Лід VII Кубічна модифікація. Порушено розташування атомів водню; у речовині проявляється дебаївська релаксація. Водневі зв'язки утворюють дві взаємопроникні решітки.

У 2018, лід VII був виявлений у включеннях у натуральних алмазах[6], внаслідок чого був визнаний окремим мінералом.

Лід VIII Більш упорядкований варіант льоду VII, де атоми водню займають, очевидно, фіксовані положення. Утворюється із льоду VII при його охолодженні нижче 5 °C.
Лід IX Тетрагональна метастабільна модифікація. Поступово утворюється з льоду III при его охолоджені від −65 °C до −108 °C, стабільний при температурі нижче −133 °C і тиску між 200 та 400 МПа. Його щільність 1,16 г/см³.
Лід X Симетричний лід з упорядкованим розташуванням протонів. Утворюється за тиску близько 70 ГПа.
Лід XI Ромбічна низькотемпературна рівноважна форма гексагонального льоду. Є сегнетоелектриком.
Лід XII Тетрагональна метастабільна щільна кристалічна модифікація. Спостерігається у фазовому просторі льоду V і льоду VI. Може бути отримана нагріванням аморфного льоду високої щільності від −196 °C до приблизно −90 °C при тиску 810 МПа.
Лід XIII Моноклінний кристалічний різновид. Може бути отриманий при охолодженні води нижче −143 °C і тиску 500 МПа. Різновид льоду V з упорядкованим розташуванням протонів.
Лід XIV Ромбічнийкристалічний різновид. Може бути отриманий при температурі нижче −155 °C і тиску 1,2 ГПа. Різновид льоду XII з упорядкованим розташуванням протонів.
Лід XV Псевдоромбічний кристалічний різновид льоду VI з упорядкованим розташуванням протонів. Може бути отриманий шляхом повільного охолодження льоду VI приблизно до −143 °C і тиску 0,8-1,5 ГПа[7].
Лід XVI Кристалічний різновид льоду з найменшою густиною (0,81 г/см3)[8] серед усіх експериментально отриманих форм льоду. Має побудову топологічно еквівалентну полостній структурі газових гідратів.
Лід XVII Кристалічний різновид льоду з меншою кристалографічною густиною (0,85 г/см3)[9], ніж у інших експериментально отриманих форм льоду. Його структура, як і в льоду XVI, схожа до клатратної структури газових гідратів. Отримується при температурі 280 К і тиску ~ 400 МПа. Його номінальний склад (Н2О)2Н2 з трьома формульними одиницями на елементарну комірку.
Лід XVIII Суперіонізований лід, що утворюється під впливом екстремальних тисків, що перевищують 100 ГігаПаскалів і високих температур вище 2000 Кельвінів. Отриманий експериментально при використанні лазерних ударних хвиль для одночасного стиснення та нагрівання зразків рідкої води до 100—400 ГігаПаскалів і 2000–3000 Кельвінів та зафіксований при вимірювання рентгенівської дифракції протягом кількох наносекунд. Такий лід отриманий як перехід від кубічно-кубічної льодової фази (ймовірно льоду X) до нової орієнтованої кубічної та суперіонізованої льодової фази[10].

Нові дослідження формування водяного льоду на рівній поверхні міді при температурах від −173 °C до −133 °C показали, що спочатку на поверхні виникають ланцюжки молекул шириною близько 1 нм не гексагональної, а пентагональної структури[11].

Див. також

Примітки
  1. Петрушевский Ф. Ф., Гершун А. Л. Лед, в физике // Энциклопедический словарь — СПб: Брокгауз — Ефрон, 1896. — Т. XVII. — С. 471–473.
  2. Лід // Словник української мови : в 11 т. — К. : Наукова думка, 1970—1980.
  3. Sandwiching water between graphene makes square ice crystals at room temperature. ZME Science. 27 березня 2015. Процитовано 2 травня 2018.
  4. Фази льоду (англ.). Архів оригіналу за 25 березня 2009. Процитовано 15 лютого 2016.
  5. Льодові візерунки високого тиску. Архів оригіналу за 18 лютого 2009. Процитовано 15 лютого 2016.
  6. Sid Perkins (8 березня 2018). Pockets of water may lay deep below Earth’s surface. Science. Процитовано 8 березня 2018.
  7. Впервые получен лёд XV
  8. 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
    Нема шаблону {{Cite doi/10.1038/nature14014}}.заповнити вручну
  9. Timothy A. Strobel, Maddury Somayazulu, Stanislav V. Sinogeikin, Przemyslaw Dera & Russell J. Hemley. Hydrogen-stuffed, quartz-like water ice // Journal of the American Chemical Society. — Vol. 138. — P. 13786-13789 (19 August 2016) — DOI:10.1021/jacs.6b06986
    Нема шаблону {{Cite doi/10.1021/jacs.6b06986}}.заповнити вручну.
  10. Millot, M.; Coppari, F.; Rygg, J.; Barrios, A. C; Hamel, S.; Swift, D. C; Eggert, J. H (08 травня 2019). Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice. Nature 569 (7755): 251–255. Bibcode:s41586-019-1114-6. doi:10.1038/s41586-019-1114-6.
  11. A one-dimensional ice structure built from pentagons. Nature Materials. 8 March 2009 (англ.)

Джерела

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.