Rodzaje lodu. woda lód chemiczny wzór lodu

Dziś porozmawiamy o właściwościach śniegu i lodu. Warto wyjaśnić, że lód powstaje nie tylko z wody. Oprócz lodu wodnego występuje amoniak i metan. Nie tak dawno naukowcy wynaleźli suchy lód. Jego właściwości są wyjątkowe, rozważymy je nieco później. Powstaje, gdy dwutlenek węgla jest zamrożony. Suchy lód ma swoją nazwę, ponieważ nie pozostawia kałuż, gdy się topi. Dwutlenek węgla w swoim składzie natychmiast odparowuje do powietrza ze stanu zamrożenia.

Definicja lodu

Przede wszystkim przyjrzyjmy się lódowi, który pozyskuje się z wody. Wewnątrz znajduje się właściwa sieć krystaliczna. Lód jest powszechnym naturalnym minerałem wytwarzanym, gdy woda zamarza. Jedna cząsteczka tego płynu wiąże się z czterema najbliższymi. Naukowcy zauważyli, że taka wewnętrzna struktura jest nieodłącznym elementem różnych kamieni szlachetnych, a nawet minerałów. Na przykład diament, turmalin, kwarc, korund, beryl i inne mają taką strukturę. Cząsteczki są trzymane na odległość przez sieć krystaliczną. Te właściwości wody i lodu sugerują, że gęstość takiego lodu będzie mniejsza niż gęstość wody, dzięki której powstał. Dlatego lód unosi się na powierzchni wody i nie tonie w niej.

Miliony kilometrów kwadratowych lodu

Czy wiesz, ile lodu jest na naszej planecie? Według najnowszych badań przeprowadzonych przez naukowców na Ziemi znajduje się około 30 milionów kilometrów kwadratowych zamarzniętej wody. Jak można się domyślić, większość tego naturalnego minerału znajduje się na czapach polarnych. W niektórych miejscach grubość pokrywy lodowej sięga 4 km.

Jak zdobyć lód?

Robienie lodu jest bardzo łatwe. Ten proces nie będzie trudny, ponieważ nie wymaga specjalnych umiejętności. Wymaga to niskiej temperatury wody. Jest to jedyny stały warunek procesu tworzenia się lodu. Woda zamarznie, gdy termometr odczyta poniżej 0 stopni Celsjusza. Proces krystalizacji rozpoczyna się w wodzie pod wpływem niskich temperatur. Jego cząsteczki są wbudowane w ciekawą uporządkowaną strukturę. Proces ten nazywa się tworzeniem sieci krystalicznej. Tak samo jest w oceanie, w kałuży, a nawet w zamrażarce.

Zamrażanie badań

Prowadząc badania nad zamarzaniem wody, naukowcy doszli do wniosku, że sieć krystaliczna jest zbudowana w górnych warstwach wody. Na powierzchni zaczynają tworzyć się mikroskopijne pałeczki lodu. Nieco później zamarli między sobą. Z tego powodu na powierzchni wody tworzy się cienka warstwa. Duże zbiorniki wodne zamarzają znacznie dłużej niż woda stojąca. Wynika to z faktu, że wiatr kołysze się i wstrząsa taflą jeziora, stawu czy rzeki.

Naleśniki lodowe

Naukowcy dokonali kolejnej obserwacji. Jeśli fale utrzymują się w niskich temperaturach, to najcieńsze folie zbierają się w naleśniki o średnicy około 30 cm, a następnie zamarzają w jedną warstwę, której grubość jest nie mniejsza niż 10 cm, a nowa warstwa lodu zamarza na lodzie naleśniki od góry i od dołu. Tworzy to grubą i trwałą pokrywę lodową. Jego siła zależy od gatunku: najbardziej przezroczysty lód będzie kilkakrotnie silniejszy niż lód biały. Ekolodzy zauważyli, że 5-centymetrowy lód może wytrzymać ciężar dorosłego człowieka. Warstwa 10 cm jest w stanie wytrzymać samochód osobowy, ale należy pamiętać, że jesienią i wiosną bardzo niebezpiecznie jest wyjść na lód.

Właściwości śniegu i lodu

Fizycy i chemicy od dawna badają właściwości lodu i wody. Najbardziej znaną i zarazem najważniejszą właściwością lodu dla ludzi jest jego zdolność do łatwego topnienia nawet w zerowej temperaturze. Ale inne właściwości fizyczne lodu są również ważne dla nauki:

• lód jest przezroczysty, więc dobrze przepuszcza światło słoneczne;
• bezbarwny - lód nie ma koloru, ale można go łatwo barwić dodatkami barwnymi;
• twardość – masy lodowe doskonale zachowują swój kształt bez zewnętrznych skorupek;
• płynność jest szczególną właściwością lodu, nieodłączną dla minerału tylko w niektórych przypadkach;
• kruchość – kawałek lodu można łatwo rozłupać bez większego wysiłku;
• rozszczepienie - lód łatwo pęka w tych miejscach, w których zrosł się wzdłuż linii krystalograficznej.

Lód: właściwości przemieszczenia i czystości

Zgodnie ze swoim składem lód ma wysoki stopień czystości, ponieważ sieć krystaliczna nie pozostawia wolnej przestrzeni dla różnych obcych cząsteczek. Gdy woda zamarza, wypiera różne zanieczyszczenia, które kiedyś w niej były rozpuszczone. W ten sam sposób możesz uzyskać oczyszczoną wodę w domu.

Ale niektóre substancje mogą spowolnić proces zamrażania wody. Na przykład sól w wodzie morskiej. Lód morski tworzy się tylko w bardzo niskich temperaturach. Co zaskakujące, proces zamrażania wody każdego roku jest w stanie utrzymać samooczyszczanie się z różnych zanieczyszczeń przez wiele milionów lat z rzędu.

Sekrety suchego lodu

Osobliwością tego lodu jest to, że zawiera on w swoim składzie węgiel. Taki lód powstaje dopiero w temperaturze -78 stopni, ale topi się już przy -50 stopniach. Suchy lód, którego właściwości pozwalają pominąć etap płynów, po podgrzaniu natychmiast tworzy parę. Suchy lód, podobnie jak jego odpowiednik - woda, nie ma zapachu.

Czy wiesz, gdzie używany jest suchy lód? Ze względu na swoje właściwości minerał ten wykorzystywany jest w transporcie żywności i leków na duże odległości. A granulki tego lodu są w stanie zgasić zapłon benzyny. Ponadto, gdy suchy lód topi się, tworzy gęstą mgłę, więc jest używany na planach filmowych do tworzenia efektów specjalnych. Oprócz tego suchy lód można zabrać ze sobą na wędrówkę i do lasu. W końcu, gdy się topi, odstrasza komary, różne szkodniki i gryzonie.

Jeśli chodzi o właściwości śniegu, to niesamowite piękno możemy obserwować każdej zimy. W końcu każdy płatek śniegu ma kształt sześciokąta - to jest niezmienione. Ale oprócz sześciokątnego kształtu płatki śniegu mogą wyglądać inaczej. Na kształtowanie się każdego z nich ma wpływ wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne i inne czynniki naturalne.

Właściwości wody, śniegu, lodu są niesamowite. Ważne jest, aby poznać jeszcze kilka właściwości wody. Na przykład może przybrać kształt naczynia, do którego jest wlewany. Gdy woda zamarza, rozszerza się, a także ma pamięć. Jest w stanie zapamiętywać otaczającą energię, a gdy zamarza, „resetuje” informacje, które wchłonął w siebie.

Zbadaliśmy naturalny minerał - lód: właściwości i jego właściwości. Ucz się nauk ścisłych, to bardzo ważne i przydatne!

Praca 1

Płatki śniegu jako zjawisko fizyczne

Pracę wykonał Daniil Kholodyakov

Cele: Dowiedz się więcej o płatkach śniegu z perspektywy MKT

Zadania: poznaj naturę powstawania płatków śniegu

1. Formowanie się płatków śniegu

2. kształty płatków śniegu

3. Symetria kryształu

4. Identyczne płatki śniegu

5. Kolor i światło

6. Dodatkowe materiały

1. Czy kiedykolwiek spojrzałeś na płatek śniegu i zastanawiałeś się, jak powstaje i dlaczego różni się od innych rodzajów śniegu, które widziałeś wcześniej?

Płatki śniegu to specjalna forma lodu wodnego. Płatki śniegu tworzą się w chmurach zbudowanych z pary wodnej. Gdy temperatura wynosi 32°F (0°C) lub jest niższa, woda zmienia się z cieczy w lód. Na powstawanie płatków śniegu wpływa kilka czynników. Temperatura, prądy powietrza, wilgotność – wszystko to ma wpływ na ich kształt i wielkość. Brud i kurz mogą mieszać się w wodzie i zmieniać wagę oraz trwałość kryształów. Cząsteczki brudu powodują, że płatek śniegu jest cięższy, może być podatny na topienie i może powodować pęknięcia i pęknięcia kryształu. Tworzenie się płatka śniegu jest procesem dynamicznym. Płatek śniegu może stawić czoła wielu różnym warunkom środowiskowym, czasami topniejąc, czasami rosnąc - struktura płatka śniegu nieustannie się zmienia.

2. Jakie są najczęstsze kształty płatków śniegu?

Zazwyczaj sześciokątne kryształy tworzą się w wysokich chmurach, igły lub płaskie, sześcioboczne kryształy tworzą się w chmurach o średniej wysokości, a szeroka gama sześciobocznych form tworzy się w niskich chmurach. Niższe temperatury tworzą ostrzejsze płatki śniegu na bokach kryształów i mogą prowadzić do rozgałęzień strzał. Płatki śniegu, które pojawiają się w cieplejszych warunkach, rosną wolniej, co daje gładszy i mniej złożony kształt.

0; -3°C - Cienkie sześciokątne płytki

3; -6° C - Igły

6; -10 ° C - Puste kolumny

dziesięć; -12°C - Płyty sektorowe (sześciokąty z wgłębieniami)

12; -15°C - Dendryty (koronkowe kształty sześciokątne)

3. Dlaczego płatki śniegu są symetryczne?

Po pierwsze, nie wszystkie płatki śniegu są takie same ze wszystkich stron. Nierówne temperatury, obecność brudu i inne czynniki mogą spowodować, że płatek śniegu stanie się przekrzywiony. Jednak prawdą jest, że wiele płatków śniegu jest symetrycznych i ma bardzo złożoną strukturę. Dzieje się tak, ponieważ kształt płatka śniegu odzwierciedla wewnętrzny porządek cząsteczek wody. Cząsteczki wody w stanie stałym, takim jak śnieg i lód, tworzą ze sobą słabe wiązania (tzw. wiązania wodorowe). Te uporządkowane układy dają w efekcie symetryczny, sześciokątny kształt płatka śniegu. Podczas krystalizacji cząsteczki wody podlegają maksymalnej sile przyciągania, a siły odpychające są zredukowane do minimum. Dlatego cząsteczki wody ustawiają się w określonych przestrzeniach w określonym układzie, takim jak zajęcie przestrzeni i zachowanie symetrii.

4. Czy to prawda, że ​​nie ma dwóch identycznych płatków śniegu?

Tak i nie. Żadne dwa płatki śniegu nigdy nie będą identyczne, co do dokładnej liczby cząsteczek wody, spinu elektronu, izotopów wodoru i tlenu i tak dalej. Z drugiej strony dwa płatki śniegu mogą wyglądać tak samo, a każdy płatek śniegu prawdopodobnie miał swój prototyp w pewnym momencie historii. Struktura płatka śniegu stale się zmienia w zależności od warunków środowiskowych i pod wpływem wielu czynników, więc wydaje się mało prawdopodobne, aby zobaczyć dwa identyczne płatki śniegu.

5. Jeśli woda i lód są przezroczyste, dlaczego śnieg wygląda na biały?

Krótka odpowiedź brzmi, że płatki śniegu mają tak wiele powierzchni odbijających światło, że rozpraszają światło we wszystkich jego kolorach, dlatego śnieg wydaje się biały. Długa odpowiedź dotyczy tego, jak ludzkie oko postrzega kolor. Chociaż źródło światła nie może być naprawdę „białe” (na przykład światło słoneczne, fluorescencyjne i żarowe mają określony kolor), ludzki mózg kompensuje źródło światła. Tak więc, mimo że światło słoneczne jest żółte, a światło rozproszone ze śniegu również jest żółte, mózg widzi śnieg tak biały, jak to tylko możliwe, ponieważ cały obraz odbierany przez mózg ma żółty odcień, który jest automatycznie odejmowany.

Wyniki:

1. Płatki śniegu to specjalna forma lodu wodnego.

2. Temperatura, prądy powietrza, wilgotność to czynniki wpływające na kształt i wielkość płatka śniegu.

3. To kolejność cząsteczek wody określa symetrię płatka śniegu.

jestem w prawdziwych kryształkach śniegu.

Praca 2

Lód i woda w przyrodzie.

Prace wykonała Gusiewa Alina

Cel: nauczyć się czegoś nowego.

Zadania:

Rozważ wartości wody w przyrodzie;

Zrozum właściwości i rodzaje wody;

Zapoznaj się z podstawowymi właściwościami lodu wodnego;

Poszerz swoją wiedzę na temat wody w ogóle.

Woda (tlenek wodoru) to dwuskładnikowy związek nieorganiczny, którego wzór chemiczny to H2O. Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego tlenu, które są połączone wiązaniem kowalencyjnym. W normalnych warunkach jest to klarowny płyn, bezbarwny, bezwonny i bez smaku. W stanie stałym nazywa się go lodem, śniegiem lub szronem, aw stanie gazowym nazywa się parą wodną. Woda może również występować w postaci ciekłych kryształów.

Około 71% powierzchni Ziemi pokrywa woda (oceany, morza, jeziora, rzeki, lód) – 361,13 mln km2. Na Ziemi około 96,5% wody znajduje się w oceanach (1,7% światowych zasobów to wody gruntowe, kolejne 1,7% w lodowcach i czapach lodowych Antarktydy i Grenlandii, niewielka część w rzekach, jeziorach i bagnach oraz 0,001% w chmurach). Większość wód ziemi jest słona i nie nadaje się do uprawy i picia. Udział wody słodkiej wynosi około 2,5%.

Woda jest dobrym, wysoce polarnym rozpuszczalnikiem. W warunkach naturalnych zawsze zawiera substancje rozpuszczone (sole, gazy). Woda ma kluczowe znaczenie w tworzeniu i utrzymaniu życia na Ziemi, w budowie chemicznej organizmów żywych, w kształtowaniu klimatu i pogody. Jest to najważniejsza substancja dla wszystkich żywych istot na planecie Ziemia.

W atmosferze naszej planety woda występuje w postaci małych kropelek, w chmurach i mgle, a także w postaci pary. Podczas kondensacji jest usuwany z atmosfery w postaci opadów atmosferycznych (deszcz, śnieg, grad, rosa). Woda jest niezwykle powszechną substancją w kosmosie, jednak ze względu na wysokie ciśnienie wewnątrz cieczy woda nie może istnieć w stanie ciekłym w próżni kosmicznej, dlatego występuje tylko w postaci pary lub lodu.

Rodzaje wody.

Woda na Ziemi może istnieć w trzech głównych stanach - ciekłym, gazowym i stałym oraz przybierać różne formy, które mogą jednocześnie ze sobą współistnieć: para wodna i chmury na niebie, woda morska i góry lodowe, lodowce i rzeki na powierzchni ziemi , warstwy wodonośne w ziemi. Woda często dzieli się na rodzaje według różnych zasad. W zależności od specyfiki pochodzenia, składu czy zastosowania rozróżniają między innymi: wodę miękką i twardą - według zawartości kationów wapnia i magnezu. Zgodnie z izotopami wodoru w cząsteczce: lekka (w składzie prawie odpowiada zwykłej), ciężka (deuter), superciężka woda (tryt). Wyróżnia się także: wodę świeżą, deszczową, morską, mineralną, słonawą, pitną, kranową, destylowaną, dejonizowaną, apirogenną, świętą, ustrukturyzowaną, stopioną, podziemną, ściekową i powierzchniową.

właściwości fizyczne.

Woda w normalnych warunkach utrzymuje płynny stan skupienia, natomiast podobnymi związkami wodoru są gazy (H2S, CH4, HF). Ze względu na dużą różnicę w elektroujemności atomów wodoru i tlenu, chmury elektronowe są silnie przesunięte w kierunku tlenu. Z tego powodu cząsteczka wody ma duży moment dipolowy(D = 1,84, ustępuje tylko kwasowi cyjanowodorowemu). W temperaturze przejścia do stanu stałego cząsteczki wody są uporządkowane, w procesie tym zwiększa się objętość pustych przestrzeni między cząsteczkami i zmniejsza się całkowita gęstość wody, co wyjaśnia przyczynę mniejsza gęstość wody w fazie lodowej. Z drugiej strony parowanie rozrywa wszelkie wiązania. Zerwanie wiązań wymaga dużo energii, dlatego woda najbardziej wysoka właściwa pojemność cieplna między innymi cieczami i ciałami stałymi. Do podgrzania jednego litra wody o jeden stopień potrzeba 4,1868 kJ energii. Ze względu na tę właściwość woda jest często używana jako chłodziwo. Oprócz dużej pojemności cieplnej woda ma również: wysokie wartości ciepła właściwego topienie(przy 0°C - 333,55 kJ/kg) i waporyzacja(2250 kJ/kg).

Woda też ma wysokie napięcie powierzchniowe wśród cieczy ustępuje tylko rtęci. Stosunkowo wysoka lepkość wody wynika z faktu, że wiązania wodorowe uniemożliwiają cząsteczkom wody poruszanie się z różnymi prędkościami. Woda jest dobry rozpuszczalnik dla substancji polarnych. Każda cząsteczka substancji rozpuszczonej jest otoczona cząsteczkami wody, a dodatnio naładowane części cząsteczki substancji rozpuszczonej przyciągają atomy tlenu, a ujemnie naładowane części przyciągają atomy wodoru. Ponieważ cząsteczka wody ma mały rozmiar, wiele cząsteczek wody może otaczać każdą cząsteczkę substancji rozpuszczonej ujemny potencjał elektryczny powierzchni.

Czysta woda - dobry izolator. Bo woda jest dobra rozpuszczalnik, niektóre sole są w nim prawie zawsze rozpuszczone, to znaczy jony dodatnie i ujemne są obecne w wodzie. W rezultacie woda przewodzi prąd. Przewodność elektryczną wody można wykorzystać do określenia jej czystości.

Woda ma współczynnik załamania światła n=1,33 w zakresie optycznym. Jednak silnie pochłania promieniowanie podczerwone, dlatego para wodna jest głównym naturalnym gazem cieplarnianym, odpowiedzialnym za ponad 60% efektu cieplarnianego.

lód - woda w stałym stanie skupienia. Lód jest czasami nazywany niektórymi substancjami w stanie skupienia w stanie stałym, które mają tendencję do przybierania postaci ciekłej lub gazowej w temperaturze pokojowej; w szczególności suchy lód, lód amoniakalny lub lód metanowy.

Podstawowe właściwości lodu wodnego.

Obecnie znane są trzy odmiany amorficzne i 15 odmian krystalicznych lodu. Ażurowa struktura krystaliczna takiego lodu powoduje, że jego gęstość (równa 916,7 kg/m przy 0°C) jest mniejsza niż gęstość wody (999,8 kg/m) w tej samej temperaturze. Dlatego woda zamieniając się w lód zwiększa swoją objętość o około 9%. Lód, będąc lżejszym od wody w stanie ciekłym, tworzy się na powierzchni zbiorników wodnych, co zapobiega dalszemu zamarzaniu wody.

Wysokie ciepło właściwe topnienia lód, równy 330 kJ/kg, jest ważnym czynnikiem w obiegu ciepła na Ziemi. Tak więc, aby roztopić 1 kg lodu lub śniegu, potrzeba tyle ciepła, ile potrzeba do podgrzania litra wody o 80 °C. Lód występuje w naturze w postaci lodu właściwego (kontynentalnego, pływającego, podziemnego), a także w postaci śniegu, szronu itp. Pod wpływem własnego ciężaru lód nabiera właściwości plastycznych i płynności. Naturalny lód jest zwykle znacznie czystszy niż woda, ponieważ gdy woda krystalizuje, cząsteczki wody jako pierwsze dostają się do sieci.

Przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym woda krzepnie w temperaturze 0°C i wrze (zamienia się w parę wodną) w temperaturze 100°C. Gdy ciśnienie spada, temperatura topnienia (topnienia) lodu powoli wzrasta, a temperatura wrzenia wody spada. Przy ciśnieniu 611,73 Pa (około 0,006 atm) temperatury wrzenia i topnienia pokrywają się i stają się równe 0,01 ° C. Te ciśnienia i temperatury są nazywane potrójna woda punktowa . Przy niższym ciśnieniu woda nie może być w stanie ciekłym, a lód zamienia się bezpośrednio w parę. Temperatura sublimacji lodu spada wraz ze spadkiem ciśnienia. Pod wysokim ciśnieniem występują modyfikacje lodu o temperaturze topnienia powyżej temperatury pokojowej.

Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta również gęstość pary wodnej w temperaturze wrzenia, a maleje gęstość wody w stanie ciekłym. W temperaturze 374 °C (647 K) i ciśnieniu 22,064 MPa (218 atm) woda przepływa punkt krytyczny. W tym momencie gęstość i inne właściwości wody w stanie ciekłym i gazowym są takie same. Przy wyższym ciśnieniu i/lub temperaturze różnica między ciekłą wodą a parą wodną zanika. Ten stan skupienia nazywa się Płyn nadkrytyczny».

Woda może być w stany metastabilne para przesycona, ciecz przegrzana, ciecz przechłodzona. Stany te mogą istnieć przez długi czas, ale są niestabilne i przejście następuje w kontakcie z bardziej stabilną fazą. Na przykład przechłodzoną ciecz można uzyskać schładzając czystą wodę w czystym naczyniu poniżej 0 ° C, jednak gdy pojawia się centrum krystalizacji, ciekła woda szybko zamienia się w lód.

Fakty .

Ciało roślin i zwierząt zawiera średnio ponad 50% wody.

Skład płaszcza Ziemi zawiera 10-12 razy więcej wody niż ilość wody w oceanach.

Gdyby stopiły się wszystkie lodowce, wówczas poziom wody w oceanach Ziemi podniósłby się o 64 m i około 1/8 powierzchni lądu zostałaby zalana wodą.

Czasami woda zamarza w dodatniej temperaturze.

W określonych warunkach (wewnątrz nanorurek) cząsteczki wody tworzą nowy stan, w którym zachowują zdolność płynięcia nawet w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu.

Woda odbija 5% promieni słonecznych, podczas gdy śnieg odbija około 85%. Tylko 2% światła słonecznego przenika pod lodem oceanu.

Niebieski kolor czystej wody oceanicznej wynika z selektywnego pochłaniania i rozpraszania światła w wodzie.

Za pomocą kropli wody z kranów można wytworzyć napięcie do 10 kilowoltów, eksperyment nazywa się „Kelvin Dropper”.

Woda jest jedną z niewielu substancji występujących w naturze, która rozszerza się, gdy zmienia się z cieczy w ciało stałe.

Wyniki:

Woda zachowuje ciekły stan skupienia, ma duży moment dipolowy, dużą pojemność cieplną, wartość parowania, wysokie napięcie powierzchniowe, ujemny potencjał elektryczny powierzchni, jest dobrym izolatorem i rozpuszczalnikiem.

Literatura

1. Woda // Słownik encyklopedyczny Brockhausa i Efrona: W 86 tomach (82 tomy i 4 dodatkowe). - Petersburg, 1890-1907.

2. Losev K. S. Woda. - L.: Gidrometeoizdat, 1989. - 272 s.

3. Hydrobionty w samooczyszczaniu wód i biogenicznej migracji pierwiastków. - M.: MAKS-Prasa. 2008. 200 pkt. Przedmowa członka korespondującego RAS V. V. Malachow. (Seria: Nauka. Edukacja. Innowacje. Zeszyt 9). ISBN 978-5-317-02625-7.

4. W niektórych kwestiach utrzymania jakości wody i jej samooczyszczania // Zasoby wodne. 2005. Vol. 32. Nr 3. S. 337-347.

5. Andreev VG Wpływ wymiany protonów na strukturę cząsteczki wody i siłę wiązania wodorowego. Materiały V Międzynarodowej Konferencji „Aktualne problemy nauki w Rosji”. - Kuznieck 2008, w.3 S. 58-62.

lód- to znany dla większości z nas stan stały wody, który możemy spotkać w warunkach naturalnych. W życiu codziennym często wykorzystujemy jego wyjątkowe właściwości.

Powstaje, gdy temperatura wody spada poniżej 0 stopni Celsjusza. Temperatura ta nazywana jest temperaturą krystalizacji wody. lód, podobnie jak śnieg, składa się z kryształków lodu, których formy można znaleźć w naszym artykule.

Podajmy kilka precyzyjnych definicji.

Wielki słownik encyklopedyczny

Lód to stała woda. Istnieje 11 odmian krystalicznych lodu i lodu amorficznego. W przyrodzie znaleziono tylko jedną postać lodu - o gęstości 0,92 g/cm³, pojemności cieplnej 2,09 kJ/(kg.K) w temperaturze 0 °C, cieple topnienia 324 kJ/kg, które występuje w forma lodu właściwego (kontynentalnego, pływającego, podziemnego), śniegu i mrozu. Na Ziemi około. 30 milionów km³ lodu. Służy do przechowywania i chłodzenia żywności. produkty, pozyskiwanie świeżej wody, w medycynie.

Wielki słownik encyklopedyczny. 2000

Słownictwo morskie

Lód ma mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym, więc nie tonie. Ta właściwość jest anomalna, z reguły większość substancji w stanie stałym ma dużą gęstość. Niższa gęstość lodu wskazuje, że woda zwiększa swoją objętość, gdy zamarza. Fakt ten należy brać pod uwagę w życiu codziennym. Na przykład, jeśli zamarznie fajka wodna, lód powstały w tym procesie może „złamać” rury, co w zasadzie jest wszystkim dobrze znane.

Wymieniamy najważniejsze właściwości lodu (niektóre z nich opisaliśmy już powyżej).

Właściwości lodu

• Temperatura tworzenia lodu - 0°C;
• Objętość lodu jest większa niż objętość wody w stanie ciekłym, tj. gęstość lodu jest mniejsza niż gęstość wody w stanie ciekłym, ciężar właściwy lodu przy 0 ° = 0,917 i odpowiednio ciężar właściwy wody przy 0 ° = 0,9999;
• Wraz z dalszym spadkiem temperatury lód kurczy się, co wyjaśnia pęknięcia w dużych przestrzeniach lodowych;
• Pojemność cieplna lodu jest prawie 2 razy mniejsza niż wody;
• Temperatura zamarzania wody morskiej jest wyższa niż wody słodkiej i wynosi ~1,80С (przy założeniu, że zasolenie wody jest na poziomie średniej ważonej w oceanie światowym).

Lód i jego odmiany

• Lód glebowy - lód powstały w granicach skorupy ziemskiej;
• lód rzeczny;
• Lód tworzy się, gdy jeziora zamarzają;
• Lód morski.

Zastosowanie lodu

Lód ma wiele zastosowań ekonomicznych. Służy do obniżania temperatury produktów spożywczych, co znacznie wydłuża ich trwałość. Jest rzeczą oczywistą, że w tym kontekście produkcja sztucznego lodu lub, jeśli mogę tak powiedzieć, sztucznego zimna, ma szczególne znaczenie. Lód jest również szeroko stosowany w medycynie do wykonywania i wykonywania szeregu specyficznych zabiegów. Kostki lodu znajdują szerokie zastosowanie w zabiegach kosmetycznych oraz w gotowaniu, zwłaszcza przy przygotowywaniu napojów.

Lód to budulec dla tak ważnych dla naszej planety obiektów jak lodowce, które są wskaźnikami i regulatorami wielu procesów zachodzących na naszej planecie. Nasza publikacja poświęcona jest lodowcom -

Przemysł chemiczny

W obiektach użyteczności publicznej. Sól techniczna

W medycynie

Podanie

W przemyśle spożywczym a do gotowania używaj chlorku sodu, którego czystość musi wynosić co najmniej 97%. Stosowany jest jako środek aromatyzujący oraz do konserwacji żywności. Ten chlorek sodu ma nazwę handlową Sól czasami używane są również nazwy żywność, jadalnia, a także doprecyzowanie nazwy w zależności od jej pochodzenia - kamień, morze, a według składu dodatków - jodowana, fluorowana itp. Taka sól jest krystalicznym produktem masowym o smaku słonym bez posmaku, bezwonny (z wyjątkiem soli jodowanej), w którym niedopuszczalne są zanieczyszczenia obce niezwiązane z metodą ekstrakcji soli. Oprócz chlorku sodu sól kuchenna zawiera niewielką ilość soli wapniowych, magnezowych i potasowych, dzięki czemu jest higroskopijna i twarda. Im mniej tych zanieczyszczeń w soli, tym wyższa jej jakość.

Izotoniczny roztwór chlorku sodu w wodzie (0,9%) stosowany jest jako środek detoksykujący, do korekty stanu układów organizmu w przypadku odwodnienia, jako rozpuszczalnik innych leków. Roztwory hipertoniczne (roztwór 10%) stosuje się w celu podwyższenia ciśnienia podczas krwawienia, w stanach charakteryzujących się niedoborem jonów sodu i chloru, w przypadku zatrucia azotanem srebra, do leczenia ran ropnych (miejscowo). W okulistyce, jako środek miejscowy, roztwór chlorku sodu ma działanie zmniejszające przekrwienie.

Zimą chlorek sodu zmieszany z innymi solami, piaskiem lub gliną – tak zwana sól techniczna – jest stosowany jako środek przeciw zamarzaniu przed lodem. Skrapia się nim chodniki, choć wpływa to negatywnie na obuwie skórzane i stan techniczny pojazdów ze względu na procesy korozyjne.

Sól wraz z węglem, wapieniem i siarką tworzy „wielką czwórkę” produktów mineralnych, które są najważniejsze dla przemysłu chemicznego. Otrzymuje się z niej sodę, chlor, kwas solny, wodorotlenek sodu, siarczan sodu i metaliczny sód.

Grupa nr 3: Substancje o molekularnej sieci krystalicznej

W naturalnych warunkach ziemskich woda tworzy kryształy jednej krystalicznej modyfikacji - heksagonalnej syngonii. W lodzie każda cząsteczka H2O jest otoczona przez cztery najbliższe jej cząsteczki, które znajdują się w tej samej odległości od niej i znajdują się na wierzchołkach regularnego czworościanu.

Ażurowa struktura krystaliczna lodu powoduje, że jego gęstość, równa 916,7 kg/m³ przy 0°C, jest mniejsza niż gęstość wody (999,8 kg/m³) w tej samej temperaturze. Dlatego woda zamieniając się w lód zwiększa swoją objętość o około 9%. Lód, będąc lżejszym od wody w stanie ciekłym, tworzy się na powierzchni zbiorników wodnych, co zapobiega dalszemu zamarzaniu wody.

Wysokie ciepło właściwe topnienia lodu, równe 330 kJ/kg (dla porównania ciepło właściwe topienia żelaza wynosi 270 kJ/kg), jest ważnym czynnikiem w obrocie ciepłem na Ziemi. Tak więc, aby stopić 1 kg lodu lub śniegu, potrzebujesz tyle ciepła, ile potrzeba do podgrzania litra wody od 0 do 80 ° C

Lód występuje w naturze w postaci lodu właściwego (kontynentalnego, pływającego, podziemnego), a także w postaci śniegu, szronu itp. Pod wpływem własnego ciężaru lód nabiera właściwości plastycznych i płynności.

Naturalny lód jest zwykle znacznie czystszy niż woda, ponieważ gdy woda krystalizuje, cząsteczki wody jako pierwsze dostają się do sieci (patrz strefa topnienia). Lód może zawierać zanieczyszczenia mechaniczne - cząstki stałe, kropelki stężonych roztworów, pęcherzyki gazu. Obecność kryształków soli i kropelek solanki wyjaśnia słonawość lodu morskiego.

"Suchy lód"

Dwutlenek węgla w stanie stałym (CO 2), w normalnych warunkach (ciśnienie atmosferyczne i temperatura pokojowa) przechodzi w stan pary, z pominięciem fazy ciekłej.

Z wyglądu przypomina lód (stąd nazwa). Temperatura sublimacji przy normalnym ciśnieniu wynosi minus 78,5°C. Techniczny „suchy lód” ma gęstość około 1560 kg/m³, a podczas sublimacji (przechodzenia w stan gazowy) pochłania dużą ilość ciepła.

Produkowany w zakładach produkujących dwutlenek węgla. Służy do chłodzenia produktów spożywczych (np. lodów) podczas ich transportu i przechowywania, w pracach badawczych w celu uzyskania niskich temperatur, podczas testowania i montażu niektórych jednostek w inżynierii mechanicznej itp.

Suchy lód (dwutlenek węgla) to niskotemperaturowy produkt otrzymywany z ciekłego lub gazowego dwutlenku węgla. Nietoksyczny, nie przewodzi prądu. Biały kolor.

Woda i lód: czy wiemy o nich wystarczająco dużo?

Yu. I. GOLOVIN

Opisano właściwości fizyczne wody i lodu. Omówiono mechanizmy różnych zjawisk zachodzących w tych substancjach. Pomimo długiego okresu badań i prostego składu chemicznego, woda i lód – substancje bardzo cenne dla życia na Ziemi – kryją w sobie wiele tajemnic ze względu na skomplikowaną dynamiczną strukturę protonową i molekularną.

Podano krótki przegląd właściwości fizycznych wody i lodu. Uwzględniono w nich mechanizmy różnych zjawisk. Wykazano, że pomimo wielowiekowej historii badań, najprostszego składu chemicznego i wyjątkowego znaczenia dla życia na Ziemi, natura wody i lodu jest obciążona wieloma tajemnicami ze względu na złożoną dynamiczną strukturę protonową i molekularną.

Chociaż prostota jest bardziej potrzebna ludziom,
Wszystko, co skomplikowane, jest dla nich jaśniejsze.

B.L. Pasternak

Być może nie ma na Ziemi bardziej powszechnej i jednocześnie bardziej tajemniczej substancji niż woda w fazie ciekłej i stałej. Rzeczywiście, wystarczy pamiętać, że całe życie wyszło z wody i składa się z niej w ponad 50%, że 71% powierzchni Ziemi pokrywa woda i lód, a znaczna część północnych terytoriów lądu jest wieczna zmarzlina. Aby zobrazować całkowitą ilość lodu na naszej planecie, zauważamy, że w przypadku ich stopienia woda w oceanach podniesie się o ponad 50 m, co doprowadzi do zalania gigantycznych obszarów lądowych na całym świecie. We wszechświecie, w tym w Układzie Słonecznym, odkryto ogromne masy lodu. Nie ma ani jednej mniej lub bardziej znaczącej produkcji, aktywności domowej osoby, w której woda nie byłaby używana. W ostatnich dziesięcioleciach odkryto duże rezerwy paliwa w postaci stałych lodowopodobnych hydratów naturalnych węglowodorów.

Jednocześnie, po licznych sukcesach w fizyce i fizykochemii wody w ostatnich latach, trudno twierdzić, że właściwości tej prostej substancji są w pełni zrozumiałe i przewidywalne. Artykuł zawiera krótki przegląd najważniejszych właściwości fizycznych wody i lodu oraz nierozwiązanych problemów związanych głównie z fizyką ich stanów niskotemperaturowych.

Ta złożona cząsteczka

Podstawy współczesnego rozumienia fizykochemii wody położyli około 200 lat temu Henry Cavendish i Antoine Lavoisier, którzy odkryli, że woda nie jest prostym pierwiastkiem chemicznym, jak uważali średniowieczni alchemicy, ale kombinacją tlenu i wodoru w pewien stosunek. W rzeczywistości wodór (wodór) - dający początek wodzie - otrzymał swoją nazwę dopiero po tym odkryciu, a woda zyskała nowoczesne oznaczenie chemiczne, znane teraz każdemu uczniowi, - H 2 O.

Tak więc cząsteczka H 2 O zbudowana jest z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Jak ustalono na podstawie badań widm optycznych wody, w hipotetycznym stanie całkowitego braku ruchu (bez oscylacji i rotacji), jony wodoru i tlenu powinny zajmować pozycje na wierzchołkach trójkąta równoramiennego o kącie w wierzchołku zajmowanym przez tlen 104,5° (ryc. 1, a). W stanie niewzbudzonym odległości między jonami H + i O 2− wynoszą 0,96 Å. Ze względu na tę strukturę cząsteczka wody jest dipolem, ponieważ gęstość elektronowa w obszarze jonu O 2− jest znacznie większa niż w obszarze jonów H +, a najprostszy model, model kulkowy, jest słabo dopasowany opisać właściwości wody. Można sobie wyobrazić cząsteczkę wody w postaci kuli z dwoma małymi zgrubieniami w obszarze, w którym znajdują się protony (rys. 1b). Nie pomaga to jednak w zrozumieniu kolejnej cechy wody – zdolności do tworzenia kierunkowych wiązań wodorowych między cząsteczkami, które odgrywają ogromną rolę w tworzeniu jej rozluźnionej, ale jednocześnie bardzo stabilnej struktury przestrzennej, od której zależy większość właściwości fizyczne zarówno w stanie ciekłym, jak i stałym.

Ryż. jeden. Schemat geometryczny (a), model płaski (b) i przestrzenna struktura elektronowa (c) monomeru H 2 O. Dwa z czterech elektronów zewnętrznej powłoki atomu tlenu uczestniczą w tworzeniu wiązań kowalencyjnych z atomami wodoru, oraz pozostałe dwa tworzą silnie wydłużone orbity elektronowe, płaszczyzna prostopadła do płaszczyzny H–O–H

Przypomnijmy, że wiązanie wodorowe to takie wiązanie między atomami w jednej cząsteczce lub sąsiednich cząsteczkach, które jest realizowane przez atom wodoru. Zajmuje pozycję pośrednią między wiązaniem kowalencyjnym i niewartościowym i powstaje, gdy atom wodoru znajduje się między dwoma atomami elektroujemnymi (O, N, F itp.). Elektron w atomie H jest stosunkowo słabo związany z protonem, więc maksymalna gęstość elektronów przesuwa się do bardziej elektroujemnego atomu, a proton zostaje odsłonięty i zaczyna oddziaływać z innym elektroujemnym atomem. W tym przypadku następuje zbliżenie atomów О⋅⋅⋅О, N⋅⋅⋅О itd. na odległość zbliżoną do tej, jaką ustaliłaby między nimi brak atomu H. Wiązanie wodorowe determinuje nie tylko strukturę wody, ale także odgrywa niezwykle ważną rolę w życiu biocząsteczek: białek, węglowodanów, kwasów nukleinowych, itp.

Oczywiście, aby wyjaśnić naturę wody, konieczne jest uwzględnienie struktury elektronowej jej cząsteczek. Jak wiecie, górna powłoka atomu tlenu ma cztery elektrony, podczas gdy wodór ma tylko jeden elektron. Każde wiązanie kowalencyjne O–H jest utworzone przez jeden elektron z atomów tlenu i wodoru. Dwa elektrony pozostające w tlenie nazywane są samotną parą, ponieważ w izolowanej cząsteczce wody pozostają wolne, nie uczestnicząc w tworzeniu wiązań w cząsteczce H 2 O. Ale gdy zbliżają się do innych cząsteczek, to właśnie te samotne elektrony odgrywają rolę decydująca rola w tworzeniu struktury molekularnej wody.

Samotne elektrony są odpychane od wiązań O–H, przez co ich orbity są silnie wydłużone w kierunku przeciwnym do atomów wodoru, a płaszczyzny orbit są obrócone względem płaszczyzny utworzonej przez wiązania O–H–O. W związku z tym bardziej poprawne byłoby zobrazowanie cząsteczki wody w trójwymiarowej przestrzeni współrzędnych xyz w postaci czworościanu, w środku którego znajduje się atom tlenu, aw dwóch wierzchołkach znajduje się atom wodoru (ryc. 1, c). Struktura elektronowa cząsteczek H 2 O determinuje warunki ich asocjacji w złożoną trójwymiarową sieć wiązań wodorowych zarówno w wodzie, jak iw lodzie. Każdy z protonów może tworzyć wiązanie z samotnym elektronem innej cząsteczki. W tym przypadku pierwsza cząsteczka działa jako akceptor, a druga działa jako donor, tworząc wiązanie wodorowe. Ponieważ każda cząsteczka H 2 O ma dwa protony i dwa samotne elektrony, może jednocześnie tworzyć cztery wiązania wodorowe z innymi cząsteczkami. Woda jest więc złożoną cieczą skojarzoną o dynamicznym charakterze wiązań, a opis jej właściwości na poziomie molekularnym jest możliwy tylko za pomocą modeli mechaniki kwantowej o różnym stopniu złożoności i rygoru.

Lód i jego właściwości

Z punktu widzenia przeciętnego człowieka lód jest mniej więcej taki sam bez względu na to, gdzie powstaje: w atmosferze jako grad, na krawędziach dachów jako sople lodu lub w zbiornikach wodnych jako płyty. Z punktu widzenia fizyki istnieje wiele odmian lodu różniących się budową molekularną i mezoskopową. W lodzie, który istnieje przy normalnym ciśnieniu, każda cząsteczka H 2 O jest otoczona czterema innymi, to znaczy liczba koordynacyjna struktury wynosi cztery (tzw. lód I h). Odpowiednia sieć krystaliczna - sześciokątna - nie jest gęsto upakowana, dlatego gęstość zwykłego lodu (∼0,9 g / cm3) jest mniejsza niż gęstość wody (∼1 g / cm3), dla której struktura, jak Badania dyfrakcji rentgenowskiej pokazują, że średnia liczba koordynacyjna wynosi ∼ 4,4 (w stosunku do 4 dla lodu Ih). Stałe pozycje w strukturze lodu zajmują tylko atomy tlenu. Dwa atomy wodoru mogą zajmować różne pozycje na czterech wiązaniach cząsteczki H2O z innymi sąsiadami. Ze względu na sześciokątność sieci kryształy rosnące w stanie swobodnym (np. płatki śniegu) mają kształt sześciokątny.

Jednak faza heksagonalna nie jest bynajmniej jedyną formą istnienia lodu. Dokładna liczba innych faz krystalicznych – polimorficznych form lodu – jest wciąż nieznana. Tworzą się przy wysokich ciśnieniach i niskich temperaturach (rys. 2). Niektórzy badacze uważają obecność 12 takich faz za dokładnie ustaloną, inni liczą je do 14. Oczywiście nie jest to jedyna substancja, która ma polimorfizm (przypomnijmy np. grafit i diament, składające się z identycznych chemicznie atomów węgla ), ale liczba różnych faz lodu, które otwierają się do dziś, jest niesamowita. Wszystkie powyższe dotyczyły uporządkowanego rozmieszczenia jonów tlenu w sieci krystalicznej lodu. Jeśli chodzi o protony - jony wodorowe - jak pokazuje dyfrakcja neutronów, istnieje silne nieuporządkowanie w ich ułożeniu. Tak więc lód krystaliczny jest zarówno ośrodkiem uporządkowanym (w odniesieniu do tlenu), jak i jednocześnie nieuporządkowanym (w odniesieniu do wodoru).

Ryż. 2. Diagram fazowy lodu krystalicznego.
Cyfry rzymskie wskazują obszary istnienia
stabilne fazy. Ice IV to faza metastabilna
dla, znajduje się na schemacie wewnątrz obszaru V

Często wydaje się, że lód jest plastyczny i płynny. Tak jest, jeśli temperatura jest zbliżona do temperatury topnienia (to znaczy t \u003d 0 ° C przy ciśnieniu atmosferycznym), a ładunek działa przez długi czas. A najbardziej sztywny materiał (na przykład metal) w temperaturach zbliżonych do temperatury topnienia zachowuje się w podobny sposób. Odkształcenie plastyczne lodu, podobnie jak wielu innych ciał krystalicznych, następuje w wyniku zarodkowania i przemieszczania się przez kryształ różnych niedoskonałości strukturalnych: wakatów, atomów śródmiąższowych, granic ziaren i, co najważniejsze, dyslokacji. Jak ustalono już w latach 30., to właśnie obecność tej ostatniej determinuje gwałtowny spadek odporności ciał krystalicznych na odkształcenia plastyczne (o współczynnik 102–104 w stosunku do oporu sieci idealnej). Do tej pory w lodzie Ih odkryto wszystkie rodzaje dyslokacji charakterystycznych dla struktury heksagonalnej i zbadano ich właściwości mikromechaniczne i elektryczne.

Wpływ szybkości odkształcania na właściwości mechaniczne lodu monokrystalicznego dobrze ilustruje rys. 3, zaczerpnięty z książki N. Maeno. Widać, że wraz ze wzrostem szybkości odkształcenia naprężenia mechaniczne σ niezbędne do płynięcia plastycznego gwałtownie rosną, a od zależności odkształcenia względnego E od σ pojawia się ząb olbrzymiej plastyczności.

Ryż. 3.(na ). Krzywe naprężeń to odkształcenia względne monokryształu lodu Ih przy t = -15°С (poślizg wzdłuż płaszczyzny podstawowej zorientowanej pod kątem 45° do osi ściskania). Liczby na krzywych wskazują względną szybkość odkształcenia ( l– zmiana długości próbki ja w trakcie ∆τ ) w jednostkach 10 -7 s -1

Ryż. 4. Schemat powstawania defektów w podukładzie protonowym lodu: (a) para defektów jonowych H 3 O + i OH − ; b – para orientacyjnych defektów Bjerrum D i L

Nie mniej niezwykłe są właściwości elektryczne lodu. Wartość przewodnictwa i jego wykładniczo szybki wzrost wraz ze wzrostem temperatury wyraźnie odróżnia lód od przewodników metalowych i stawia go na równi z półprzewodnikami. Zwykle lód jest bardzo czysty chemicznie, nawet jeśli wyrasta z brudnej wody lub roztworu (pamiętaj o czystych, przezroczystych kawałkach lodu w brudnej kałuży). Wynika to z niskiej rozpuszczalności zanieczyszczeń w strukturze lodu. Dzięki temu podczas mrożenia zanieczyszczenia są wypychane na czole krystalizacji do cieczy i nie wnikają w strukturę lodu. Dlatego świeżo padający śnieg jest zawsze biały, a woda z niego jest wyjątkowo czysta.

Natura mądrze stworzyła gigantyczną stację uzdatniania wody na skalę całej atmosfery ziemskiej. Dlatego nie można liczyć na wysoką przewodność zanieczyszczeń (jak np. w domieszkowanym krzemie) w lodzie. Ale nie ma w nim wolnych elektronów, jak w metalach. Dopiero w latach pięćdziesiątych ustalono, że nośnikami ładunku w lodzie są nieuporządkowane protony, to znaczy lód jest półprzewodnikiem protonowym.

Wspomniane powyżej przeskoki protonowe powodują dwa rodzaje defektów w strukturze lodu: jonowe i orientacyjne (rys. 4). W pierwszym przypadku proton przeskakuje wzdłuż wiązania wodorowego z jednej cząsteczki H 2 O do drugiej (rys. 4, a), w wyniku czego powstaje para defektów jonowych H 3 O + i OH − , a w drugim , do sąsiedniego wiązania wodorowego w jednej cząsteczce H 2 O (rys. 4b), w wyniku czego powstaje para orientacyjnych defektów Bjerruma, zwanych defektami L i D (z niemieckiego leer - pusty i doppelt - podwójny). Formalnie taki skok można uznać za obrót cząsteczki H2O o 120°.

Przepływ prądu stałego z powodu ruchu tylko jonowych lub tylko defektów orientacji jest niemożliwy. Jeśli na przykład jon H 3 O + przeszedł przez jakąkolwiek część siatki, to następny podobny jon nie będzie mógł przejść tą samą drogą. Jeśli jednak tą ścieżką przejdzie defekt D, wówczas układ protonów powróci do pierwotnego, a w konsekwencji następny jon H 3 O + również będzie mógł przejść. Podobnie zachowują się defekty OH − i L. Dlatego przewodność elektryczna chemicznie czystego lodu jest ograniczona przez te defekty, których jest mniej, a mianowicie defekty jonowe. Z drugiej strony polaryzacja dielektryczna wynika z większej liczby defektów orientacji Bjerruma. W rzeczywistości, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, oba procesy przebiegają równolegle, co pozwala lódowi przewodzić prąd stały i jednocześnie doświadczać silnej polaryzacji dielektrycznej, to znaczy wykazywać zarówno właściwości półprzewodnika, jak i właściwości izolatora. W ostatnich latach podjęto próby wykrywania właściwości ferroelektrycznych i piezoelektrycznych czystego lodu w niskich temperaturach, zarówno w masie, jak i na granicy faz. Nie ma jeszcze całkowitej pewności co do ich istnienia, chociaż odkryto kilka efektów pseudopiezoelektrycznych związanych z obecnością dyslokacji i innych defektów strukturalnych.

Fizyka powierzchni i krystalizacja lodu

W związku z rozwojem technologii półprzewodnikowej, mikrominiaturacją bazy pierwiastków i przejściem do technologii planarnych, zainteresowanie fizyką powierzchni znacznie wzrosło w ciągu ostatniej dekady. Opracowano wiele subtelnych technik badania stanów przypowierzchniowych ciał stałych, które okazały się przydatne w badaniu metali, półprzewodników i dielektryków. Jednak struktura i właściwości powierzchni lodu sąsiadującej z parą lub cieczą pozostają w dużej mierze niejasne. Jedną z najbardziej intrygujących hipotez wysuniętą przez M. Faradaya jest istnienie na powierzchni lodu quasi-ciekłej warstwy o grubości dziesiątek lub setek angstremów nawet w temperaturze znacznie poniżej temperatury topnienia. Powodem tego są nie tylko spekulacyjne konstrukcje i teorie budowy warstw przypowierzchniowych silnie spolaryzowanych cząsteczek H 2 O, ale także subtelne określenia (metodą magnetycznego rezonansu jądrowego) stanu fazowego powierzchni lodu, jak jak również przewodność powierzchniową i jej zależność od temperatury. Jednak w większości przypadków o znaczeniu praktycznym właściwości powierzchni śniegu i lodu są najprawdopodobniej determinowane przez obecność makroskopowego filmu wodnego, a nie warstwy quasi-ciekłej.

Topienie przypowierzchniowych warstw lodu pod wpływem światła słonecznego, cieplejszej atmosfery lub ślizgającego się po niej ciała stałego (łyżwy, narty, saneczkarze) ma kluczowe znaczenie dla uzyskania niskiego współczynnika tarcia. Niskie tarcie ślizgowe nie jest wynikiem obniżenia temperatury topnienia pod działaniem zwiększonego ciśnienia, jak się często sądzi, ale konsekwencją uwolnienia ciepła tarcia. Z obliczeń wynika, że ​​efekt ciśnienia, nawet w przypadku ostrego poślizgu łyżwy po lodzie, pod którym rozwija się ciśnienie około 1 MPa, prowadzi do obniżenia temperatury topnienia tylko o ∼0,1°C, co nie może znacząco wpłynąć wartość tarcia.

Ugruntowaną tradycją w opisywaniu właściwości wody i lodu jest ustalenie i omówienie wielu anomalnych właściwości, które odróżniają tę substancję od homologów (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te). Być może najważniejsze jest bardzo wysokie (wśród prostych substancji) ciepło właściwe topnienia (krystalizacji) i pojemność cieplna, czyli trudno jest stopić lód i trudno zamrozić wodę. W rezultacie klimat na naszej planecie jako całości jest dość łagodny, ale przy braku wody (na przykład na pustyniach gorącej Afryki) kontrast między temperaturami dnia i nocy jest znacznie wyższy niż na wybrzeżu oceanu o godz. na tej samej szerokości geograficznej. Istotna dla biosfery jest zdolność do zwiększania objętości podczas krystalizacji, a nie jej zmniejszania, jak ma to miejsce w przypadku zdecydowanej większości znanych substancji. W rezultacie lód unosi się w wodzie, zamiast tonąć, i znacznie spowalnia zamarzanie zbiorników wodnych w chłodne dni, chroniąc wszystkie żywe istoty, które się w nim ukrywają na zimę. Sprzyja temu również niemonotoniczna zmiana gęstości wody, gdy temperatura spada do 0°C - jedna z najbardziej znanych anomalnych właściwości wody, odkryta ponad 300 lat temu. Maksymalna gęstość jest osiągana przy t = 4°C, co zapobiega opadaniu na dno podpowierzchniowych warstw wody, która ochłodziła się do temperatury poniżej 4°C. Konwekcyjne mieszanie cieczy zostaje zablokowane, co znacznie spowalnia dalsze chłodzenie. Inne anomalie wody są znane od dłuższego czasu: lepkość ścinania w 20°C, ciepło właściwe w 40°C, ściśliwość izotermiczna w 46°C, prędkość propagacji dźwięku w 60°C. Lepkość wody spada wraz ze wzrostem ciśnienia i nie wzrasta, jak w przypadku innych cieczy. Oczywiste jest, że anomalne właściwości wody wynikają z cech strukturalnych jej cząsteczki i specyfiki oddziaływań międzycząsteczkowych. Nie osiągnięto jeszcze pełnej jasności w odniesieniu do tego ostatniego. Opisane powyżej właściwości dotyczą wody, lodu i granicy faz między nimi, istniejących w warunkach równowagi termodynamicznej. Próbując opisać dynamikę przemiany fazowej woda-lód, zwłaszcza w warunkach dalekich od równowagi termodynamicznej, pojawiają się problemy o zupełnie innym poziomie złożoności.

Przyczyną termodynamiczną każdego przejścia fazowego jest różnica między potencjałami chemicznymi cząstek po jednej i drugiej stronie granicy faz ∆µ = µ 1 −µ 2 . Potencjał chemiczny µ jest funkcją stanu określającą zmiany potencjałów termodynamicznych wraz ze zmianą liczby N cząstek w układzie, czyli µ = G/N, gdzie G = H − TS jest potencjałem termodynamicznym Gibbsa, H to entalpia, S to entropia, T to temperatura . Różnica potencjałów termodynamicznych jest siłą napędową procesu makroskopowego (ponieważ różnica potencjałów elektrycznych na końcach przewodnika jest przyczyną prądu elektrycznego). Dla µ1 = µ2, obie fazy mogą współistnieć w równowadze przez dowolnie długi czas. Przy normalnym ciśnieniu potencjał chemiczny wody jest równy potencjałowi chemicznemu lodu w t = 0°C. w t< 0°С более низким химическим потенциалом обладает лед, но это еще не означает, что при любом, самом маленьком переохлаждении начнется кристаллизация. Опыт показывает, что тщательно очищенный от примесей, обезгаженный, деионизированный расплав может быть переохлажден относительно точки равновесия фаз на десятки кельвин (а для некоторых веществ и на сотни). Анализ показывает, что причина заключается в отсутствии зародышей новой фазы (центров кристаллизации, конденсации, парообразования и т.д.).

Jądra mogą też powstawać jednorodnie, to znaczy z samego ośrodka, który jest w stanie metastabilnym, ale muszą być do tego spełnione pewne warunki. Rozważmy sytuację zacznijmy od uwzględnienia faktu, że każda granica między kryształem a stopem (lub parą, roztworem) wprowadza dodatkową energię Sα, gdzie S jest obszarem brzegowym, a α jest energią powierzchniową. Ponadto cząsteczki N, które utworzyły kryształ zaszczepiający, mają energię niższą niż w cieczy o N∆µ. W rezultacie całkowita zmiana energii w układzie po pojawieniu się jądra ∆U = −N∆µ + Sα okazuje się niemonotonicznie zależna od N. Rzeczywiście, dla jądra kulistego

gdzie A = (36πV 2) 1/3 V to objętość na cząsteczkę w krysztale. Z powyższego wynika, że ​​∆U osiąga maksimum ∆Uc = - N c ∆µ + AN c 2/3 α, gdy N c = (2Aα/3∆µ) 3 cząsteczki znajdują się w jądrze.

Tak więc, gdy cząsteczki są sekwencyjnie przyłączane do jądra, układ musi najpierw wspiąć się na szczyt potencjalnego wzgórza o wysokości ∆U s, w zależności od przechłodzenia, po czym dalszy wzrost N w krysztale będzie postępował ze spadkiem energii , czyli łatwiej. Wydawałoby się, że im niższa temperatura cieczy, czyli im silniejsze przechłodzenie, tym szybciej powinna przebiegać krystalizacja. Tak naprawdę jest z niewielką hipotermią. Jednak wraz ze spadkiem t lepkość cieczy również rośnie wykładniczo, utrudniając ruch cząsteczek. W efekcie przy wysokich stopniach przechłodzenia proces krystalizacji może być opóźniony o wiele lat (jak to ma miejsce w przypadku szkieł różnego pochodzenia).

Szacunki liczbowe pokazują, że dla wody, w normalnych stopniach przechłodzenia w warunkach naturalnych (∆t = 1–10°С), jądro powinno składać się z kilkudziesięciu cząsteczek, co jest znacznie większe niż liczba koordynacyjna w fazie ciekłej (∼ 4.4). W związku z tym system wymaga dużej liczby prób fluktuacji, aby wspiąć się na szczyt wzgórza energetycznego. W niezbyt dokładnie oczyszczonej wodzie silnemu przechłodzeniu zapobiega obecność już istniejących ośrodków krystalizacji, którymi mogą być cząstki zanieczyszczeń, kurz, nierówne ściany naczynia itp. Następnie kinetyka wzrostu kryształów zależy od warunków wymiany ciepła w pobliżu na granicy faz, jak również na morfologii tych ostatnich na poziomie molekularnym.

Silnie przechłodzona woda ma dwie charakterystyczne temperatury t h = -36°C i t g = -140°C. Dobrze oczyszczona i odgazowana woda w zakresie temperatur 0°C > t > t h może długo pozostawać w stanie przechłodzonej cieczy. w t g< t < t h происходит гомогенное зарождение кристалликов льда, и вода не может находиться в переохлажденном состоянии при любой степени очистки. В условиях достаточно быстрого охлаждения при t < tg подвижность молекул воды настолько падает (а вязкость растет), что она образует стеклообразное твердое тело с аморфной структурой, свойственной жидкостям. При этом в области невысоких давлений образуется аморфная фаза низкой плотности, а в области повышенных – аморфная фаза высокой плотности, то есть вода демонстрирует полиаморфизм. При изменениях давления или температуры одна аморфная фаза скачком переходит в другую с неожиданно большим изменением плотности (>20%).

Istnieje kilka punktów widzenia na naturę poliamorfizmu wody. Tak więc, zgodnie z , to zachowanie silnie przechłodzonej wody można wytłumaczyć, jeśli założymy, że istnieje więcej niż jedno minimum w potencjalnym profilu oddziaływania dwóch cząsteczek H2O,

Ryż. 5(na ). Hipotetyczne profile potencjałów: a – z jednym minimum energetycznym (np. potencjał Lennarda-Jonesa U(r) = A/r 6 − B/r 12) oraz b – z dwoma minimami energetycznymi, które odpowiadają dwóm stabilnym konfiguracjom a skupisko dwóch oddziałujących cząsteczek woda (1 i 2) o różnych odległościach między warunkowymi centrami cząsteczek r H i r L ; pierwsza z nich odpowiada fazie o większej gęstości, druga – o niższej.

i dwa (ryc. 5). Wtedy faza amorficzna o dużej gęstości będzie odpowiadać średniej odległości rH, a faza o małej gęstości będzie odpowiadać rL. Modelowanie komputerowe potwierdza ten punkt widzenia, ale nadal nie ma wiarygodnych dowodów eksperymentalnych na poparcie tej hipotezy, podobnie jak nie ma rygorystycznej teorii potwierdzającej słuszność wykorzystania potencjału podwójnej studni do opisania tak niezwykłych właściwości przechłodzonej wody.

Zachowanie przechłodzonej wody jest bardzo interesujące z różnych powodów. W szczególności determinuje warunki klimatyczne, możliwości i sposób żeglugi na dużych szerokościach geograficznych, co jest istotne dla naszego kraju. W procesie dynamicznej krystalizacji na granicy faz zachodzi wiele interesujących i do tej pory słabo poznanych zjawisk, np. redystrybucja domieszek, separacja i późniejsza relaksacja ładunków elektrycznych, której towarzyszy promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim paśmie częstotliwości itp. Wreszcie, krystalizacja w silnie przechłodzonej cieczy jest doskonała, łatwo odtwarzalna wielokrotnie.Wzorcowa sytuacja zachowania układu dalekiego od równowagi termodynamicznej i zdolnego w wyniku rozwoju niestabilności do tworzenia dendrytów różnych rzędów i wymiarów (typowymi przedstawicielami są płatki śniegu i wzory lodu na oknach), wygodne do tworzenia i modelowania zachowania fraktali.

Procesy topnienia lodu na pierwszy rzut oka wydają się łatwiejsze do analizy niż procesy krystalizacji. Jednak pozostawiają też wiele pytań. Na przykład powszechnie uważa się, że woda z roztopów od pewnego czasu ma właściwości odmienne od właściwości zwykłej wody, przynajmniej w odniesieniu do obiektów biologicznych: roślin, zwierząt, ludzi. Prawdopodobnie cechy te mogą wynikać z wysokiej czystości chemicznej (ze względu na odnotowany niski współczynnik wychwytywania zanieczyszczeń podczas krystalizacji lodu), różnic w zawartości rozpuszczonych gazów i jonów, a także zapamiętywania struktury lodu w wielocząsteczkowych skupiskach fazy ciekłej. Autor nie ma jednak na ten temat wiarygodnych informacji, uzyskanych nowoczesnymi metodami fizycznymi.

Nie mniej trudna jest analiza mechanizmów wpływu zewnętrznych pól fizycznych, w szczególności pól magnetycznych, na procesy i właściwości wody, lodu i przemian fazowych. Całe nasze życie odbywa się pod ciągłym działaniem ziemskiego pola magnetycznego i jego słabych fluktuacji. Przez wiele stuleci rozwijano magnetobiologię i magnetyczne metody leczenia w medycynie. Wreszcie, instalacje do magnetyzacji wody używanej do nawadniania w rolnictwie (w celu zwiększenia wydajności), kotły parowe zasilające (w celu zmniejszenia szybkości tworzenia się w nich kamienia) itp. są masowo produkowane i szeroko stosowane. Jednak nadal nie ma zadowalającego opisu fizycznego mechanizmów działania pola magnetycznego w tych i innych podobnych przypadkach.

Wniosek

Woda, lód i ich wzajemne przemiany fazowe wciąż kryją wiele tajemnic. Ich rozwiązanie to nie tylko bardzo ciekawy problem fizyczny, ale także niezwykle ważny dla życia na Ziemi, gdyż wiąże się bezpośrednio ze zdrowiem i samopoczuciem człowieka. Być może dostarczają one jednego z najbardziej uderzających przykładów roli struktury elektronowej i molekularnej w kształtowaniu właściwości fizycznych o najprostszym i dobrze poznanym składzie chemicznym materii.

Literatura:

1. Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P. Lód. L.: Gidrometeoizdat, 1980. 384 s.

2. Maeno N. Nauka o lodzie. M.: Mir, 1988. 231 s.

3. Hobbs P.V. fizyka lodu. Oksford: Uniw. Prasa, 1974. 864 s.

4. Zatsepina G.N. Właściwości fizyczne i budowa wody. M .: Wydawnictwo Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, 1998. 184 s.

5. Mishima O., Stanley E. Związek między cieczą, przechłodzoną i szklistą wodą // Natura. 1998 tom. 396. S. 329-335.

6. Zolotukhin I.V. Fraktale w fizyce ciała stałego // Soros Educational Journal. 1998. Nr 7. S. 108–113. Recenzent artykułów B.A. Struków

Jurij Iwanowicz Gołowin, doktor nauk fizycznych i matematycznych, profesor, kierownik. Wydział Fizyki Teoretycznej i Doświadczalnej, Tambow State University. G.R. Derżawin, Czczony Naukowiec Federacji Rosyjskiej. Obszarem zainteresowań naukowych jest struktura elektronowa defektów w ciałach stałych oraz wywołane przez nie właściwości makroskopowe. Autor i współautor ponad 200 prac naukowych, w tym monografii i 40 wynalazków.