Той, хто з’єднує світи, чому лід слизький, новини
ЧОМУ ЛІД слизькій?
Дізнатися, чому можна ковзати по льоду, вчені намагаються протягом останніх 150 років. У 1849 році брати Джеймс і Вільям Томсон (лорд Кельвін) висунули гіпотезу, згідно з якою лід під нами плавиться тому, що ми на нього тиснемо. І тому ми сковзаємо вже не по льоду, а по утворилася плівці води на його поверхні.
Дійсно, якщо збільшити тиск, то температура плавлення льоду знизиться. Відбувається це ось чому. Відомо, що щільність льоду менше, ніж води, і тому, коли лід стискають, він, намагаючись зменшити деформацію, викликану зростанням тиску, знижує температуру плавлення. Це один із проявів, так званого, принципу Ле Шательє - «Зовнішній вплив, що виводить систему з термодинамічної рівноваги, викликає в ній процеси, які прагнуть послабити результати цього впливу».
Однак, як показали експерименти (див. Малюнок зверху), щоб знизити температуру плавлення льоду на один градус необхідно тиск збільшити до 121 атмосфер (12,2 МПа). Спробуємо порахувати, який тиск чинить спортсмен на лід, коли ковзає по ньому на одному конику довжиною 20 см і товщиною 0,3 см. Якщо вважати, що маса спортсмена 75 кг, то його тиск на лід складе близько 12 атмосфер. Таким чином, стоячи на ковзанах, ми навряд чи зможемо знизити температуру плавлення льоду більше, ніж на 0,1 о С. Значить, пояснити ковзання по льоду в ковзанах і, тим більше, в звичайному взутті, спираючись на принцип Ле Шательє, неможливо, якщо за вікном, наприклад, -10 про С.
Скільки існує видів (фаз) льоду?
Аморфний лід не володіє кристалічною структурою. 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 ( «сверхохлаждённая склоподібна вода», HGW), або конденсацією водяної пари на дуже холодної підкладці ( «аморфна тверда вода», ASW), або шляхом нагрівання високоплотностних форм льоду при нормальному тиску ( «LDA») .
Звичайний гексагональний кристалічний лід. Практично весь лід на Землі відноситься до льоду Ih. і тільки дуже мала частина - до льоду Ic.
Метастабільний кубічний кристалічний лід. Атоми кисню розташовані як в 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 в верхніх шарах атмосфери.
Трігональную кристалічний лід з високоупорядоченной структурою. Утворюється з льоду Ih при стисненні і температурах від -83 ° C до -63 ° C. При нагріванні він перетворюється в лід III.
Тетрагональна кристалічний лід, який виникає при охолодженні води до -23 ° C і тиску 300 МПа. Його щільність більше, ніж у води, але він менш щільний з усіх різновидів льоду в зоні високого тиску.
Метастабільний трігональную лід. Його важко отримати без нуклеірующей затравки.
Моноклінний кристалічний лід. Виникає при охолодженні води до -20 ° C і тиску 500 МПа. Володіє найскладнішою структурою в порівнянні з усіма іншими модифікаціями.
Тетрагональна кристалічний лід. Утворюється при охолодженні води до -3 ° C і тиску 1,1 ГПа. У ньому проявляється дебаєвсьного релаксація.
Кубічна модифікація. Порушено розташування атомів водню; в речовині виявляється дебаєвсьного релаксація. Водневі зв'язки утворюють дві взаємопроникні решітки. Це тугоплавкий лід: при тиску 40 000 атм. він плавиться при температурі +175 ° С, при тиску 20 ГПа (200 тис. атм.) лід VII плавиться при температурі 400 ° С.
Більш упорядкований варіант льоду VII, де атоми водню займають, очевидно, фіксовані положення. Утворюється з льоду VII при його охолодженні нижче 5 ° C.
Тетрагональна метастабільна модифікація. Поступово утворюється з льоду III при його охолодженні від -65 ° C до -108 ° C, стабільний при температурі нижче -133 ° C і тиску між 200 і 400 МПа. Його щільність 1,16 г / см ³, тобто, трохи вище, ніж у звичайного льоду.
Симетричний лід з упорядкованим розташуванням протонів. Утворюється при тисках близько 70 ГПа.
Ромбическая низькотемпературна рівноважна форма гексагонального льоду. Є сегнетоелектрики.
Тетрагональна метастабільна щільна кристалічна модифікація. Спостерігається в фазовому просторі льоду V і льоду VI. Можна отримати нагріванням аморфного льоду високої щільності від -196 ° C до приблизно -90 ° C і при тиску 810 МПа.
Моноклінна кристалічна різновид. Виходить при охолодженні води нижче -143 ° C і тиску 500 МПа. Різновид льоду V з упорядкованим розташуванням протонів.
Ромбическая кристалічна різновид. Виходить при температурі нижче -155 ° C і тиску 1,2 ГПа. Різновид льоду XII з упорядкованим розташуванням протонів.
Різновид льоду VI з упорядкованим розташуванням протонів. Можна отримати шляхом повільного охолодження льоду VI приблизно до -143 ° C і тиску 0,8-1,5 ГПа.
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 пентагональними структури.
Вигаданий лід-дев'ять - матеріал, описаний письменником фантастом Куртом Воннегутом в романі «Колиска для кішки» - поліморфічне модифікація води, більш стійка, ніж звичайний лід (тане при температурі 0 градусів Цельсія). Тане при температурі 114,4 ° F (
45,8 ° C), а при контакті з більш холодної рідкою водою поводиться як центр кристалізації для дотичної з ним води, яка швидко твердне і теж перетворюється в лід-дев'ять. Таким чином, потрапивши в будь-який водойма, так чи інакше з'єднана з Світовим океаном (за допомогою струмків, боліт, річок, підземних джерел та іншого) лід-дев'ять міг викликати кристалізацію здебільшого води на Землі і згодом - загибель життя на планеті. Воннегут придумав цю речовину під час роботи в General Electric. Коли він писав цей роман, було відомо всього вісім кристалічних модифікацій льоду.
Оскільки в природі існують різні ізотопи водню і кисню, то існують і різні види води (відповідно і льоду). Формально можливих «вод» з урахуванням усіх відомих ізотопів водню (7) і кисню (17) існує 476. Однак розпад багатьох радіоактивних ізотопів водню і кисню відбувається за секунди або частки секунди (важливим винятком є тритій, період напіврозпаду якого становить понад 12 років) . Тому має сенс говорити про 9 стійкий радіоактивних модифікаціях води і про 9 слаборадіоактивних. Важка вода D2 O перетворюється в лід при +3,81 ° C, а кипить при 101,43 ° C. Надважких слаборадіоактивних вода T2 O замерзає при +9 ° C, а кипить при 104 ° C.
Схематичне зображення кристала льоду в його глибині (низ) і на його поверхні.
Розташовані на поверхні льоду молекули води знаходяться в особливих умовах, тому що сили, що змушують їх знаходитися в вузлах гексагональної решітки, діють на них тільки знизу. Тому поверхневим молекулам нічого не варто «ухилитися від рад» молекул, що знаходяться в решітці, і якщо це відбувається, то до такого ж рішення приходять відразу кілька поверхневих шарів молекул води. В результаті, на поверхні льоду утворюється плівка рідини, що служить хорошою мастилом при ковзанні. До речі, тонкі плівки рідини утворюються не тільки на поверхні льоду, а й у деяких інших кристалів, наприклад, свинцю.
Товщина рідкої плівки зростає з ростом температури, так як більш висока теплова енергія молекул вириває з гексагональних решіток більше поверхневих шарів. За деякими даними товщина водного плівки на поверхні льоду, що дорівнює при -5 градусах 100 нм, при -35 градусах зменшується в десять разів - до 10 нм, а при -170 градусах вона складається взагалі з одного шару молекул. Так, жителі Арктики розповідають, що тягти по льоду сани при дуже низьких температурах той же, що тягнути їх по піску (адже мастила в цьому випадку мало).
Наявність домішок (молекул, відмінних від води) теж заважає поверхневих шарів утворювати кристалічні решітки. Тому збільшити товщину рідкої плівки можна, розчинивши в ній будь-які домішки, наприклад, звичайну сіль. Цим і користуються комунальні служби, коли борються взимку з обмерзанням доріг і тротуарів.
З книги К.Ю. Богданова "Прогулянки з фізикою".
Костянтин Богданов, Земля (Sol III).