Лід. Структури кристалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

факультет військової підготовки імені Верховної Ради України Національного технічного університету

«Харківський політехнічний інститут»

КАФЕДРА БОЙОВИХ ТОКСИЧНИХ РЕЧОВИН ТА ЗАСОБІВ ЗАХИСТУ

Курсова робота на тему:

«Лід. Структури кристалів»

Виконав: командир 231н.г.

сержант Кузьменко А.А.

Перевірив: Пр. ЗСУ Тичина О. М.

Харків 2012



Реферат

Представлена курсова робота містить 31 сторінки, 4 таблицю,4 рисунки, 4 посилань на літературні джерела.

В роботі розглянуто питання: невпорядковані кристали льоду, правила Бернала - Фаулера, модифікації льоду.

Ключові слова: ЛІД, СТРУКТУРИ КРИСТАЛІВ, НЕВПОРЯДКОВАНІ КРИСТАЛИ ЛЬОДУ, РІЗНІ ТИПИ ЛЬОДУ.



Зміст

Вступ

1. Невпорядковані кристали льоду

1.1 Розташування атомів водню

1.2 Розташування протонів і правила Бернала - Фаулера

1.3 Статистична модель льоду

1.4 Ідеальний кристалічний лід

2. Модифікації льоду

3. Лід і подвійна спіраль

4. Танучий чистий лід

Висновки

Список використаної літератури

лід кристал протон водень



Вступ

Лід - кристалічна модифікація води. За останніми даними лід має 14 структурних модифікацій. Серед них є і кристалічні (їх більшість) і аморфні модифікації, але всі вони відрізняються один від одного взаємним розташуванням молекул води і властивостями. Правда, все, окрім звичного нам льоду, що кристалізує у гексагональній сингонії, утворюються в умовах екзотичних - при дуже низьких температурах і високих тисках, коли кути водневих зв'язків в молекулі води змінюються і утворюються системи, відмінні від гексагональної. Такі умови нагадують космічні і не зустрічаються на Землі. Наприклад, при температурі нижче -110 °С водяні пари випадають на металевій пластині у вигляді октаедрів і кубиків розміром в декілька нанометрів - це так званий кубічний лід. Якщо температура ледве вища -110 °С, а концентрація пари дуже мала, на пластині формується шар виключно щільного аморфного льоду.

Сама незвичайна властивість льоду - це дивне різноманіття зовнішніх проявів. При одній і тій же кристалічній структурі він може виглядати абсолютно по різному, набуваючи форми прозорих градин і бурульок, пластівців пухнастого снігу щільної блискучої корки льоду або гігантських льодовикових мас.

Кристалічна структура льоду схожа на структуру алмазу: кожна молекула Н₂О оточена чотирма найближчими до неї молекулами, що знаходяться на однакових відстанях від неї, рівних 2,76 ангстремів і розміщених у вершинах правильного тетраедра. У зв'язку з низьким координаційним числом структура льоду є сітчастою що впливає на його невисоку щільність. У природі лід представлений головним чином, одним кристалічним різновидом що кристалізується в гексагональних гратах, з щільністю 931 кг/м³. Лід зустрічається в природі у вигляді льоду (материкового, плаваючого, підземного), а також у вигляді снігу, інею і так далі. Оскільки лід легший за рідку воду, то утворюється він на поверхні водоймищ, що перешкоджає подальшому замерзанню води. Природний лід зазвичай значно чистіше, ніж вода, оскільки при кристалізації води в першу чергу в грати встають молекули води, а приміси входять рідину. Лід може містити механічні домішки - тверді частки, крапельки концентрованих розчинів, бульбашки газу. Наявністю кристалів солі і крапельок розсолу пояснюється солоноватость морського льоду. Зростаючий кристал льоду завжди прагне створити ідеальну кристалічну решітку і витісняє сторонні речовини. Але в планетарному масштабі саме чудовий феномен замерзання і танення води грає роль гігантського очисного процесу - вода на Землі постійно очищає сама себе.

Загальні запаси льоду на Землі близько 30 млн. км³. Більш всього лід зосереджений в Антарктиді, де товщина його шару досягає 4 км. Також є дані про наявність льоду на планетах Сонячної системи і в кометах.



1. Невпорядковані кристали льоду

Вище вже говорилося, що багато фізичні властивості льоду можна пояснити, виходячи з уявлення про кристалах льоду як про твердих тілах, які складаються з кулястих молекул води, що утворюють строго впорядковану грати гексагональної симетрії. Однак у льоді є, крім того, чи мале число властивостей, які зазначеної простою моделлю пояснити ніяк не вдається. Відомо, наприклад, що лід не є електричним ізолятором: він хоч і слабо, але все ж проводить струм. І тут виникає питання: чому лід, подібно звичайним ізоляторів, прозорий? У попередній главі ми залишили це питання невирішеним. Лід, подібно германію і кремнію, застосовуваним в транзисторах, має властивості напівпровідника. У зв'язку з цим виникає наступне питання: яким механізмом зумовлене таке його поведінка? Чому в тій вузькій області температур і тисків, при яких протікає наше життя, лід надзвичайно легко може перетворюватися на рідину пар? Адже серед оточуючих нас речовин не можна. Відшукати друге таке, яке могло би так само вільно, як лід, здійснювати фазові переходи. Про перерахованих властивостях льоду ми розповімо в цій та наступній главах. У всіх наведених вище міркуваннях можна було вважати молекули води приблизно кулястими, але йшлося також і те, що ці молекули мають два горбка. Ці два горбка, на яких ми навмисне не загострювали досі увагу, суть не що інше, як атоми водню. Про них-то тепер головним чином і піде мова.

У цій главі читачі дізнаються, що на самому справі лід не можна називати кристалом в строгому сенсі - він являє собою неупорядкований кристал. Це суперечливе на перший погляд поєднання слів винесено в заголовок усієї четвертої глави. Невпорядкованість кристалів льоду є їх найважливішою властивістю. У більшості відомих на цей день книг і наукових робіт про льоді вказаною властивості не приділено майже ніякої уваги.

1.1 Розташування атомів водню

Стійкі молекули води. Ковалентні зв'язки Розглянемо тепер, як влаштовані кулясті молекули води, що мають по два горбка, зсередини,

Рис. 1 Ковалентні зв'язки в молекулі води. В одного атома кисню і двох атомів водню з'являються загальні електрони, в результаті чого їх електронні оболонки заповнюються до кінця і утворюється міцна молекула Н₂О

У дещо спрощеному вигляді їх внутрішня структура зображена на (рис. 1). Як відомо, електрони в атомах обертаються навколо ядер по певних орбітах, званим електронними оболонками. До того, як атоми кисню і водню, з'єднавшись, утворюють молекули води, атоми кисню мають на зовнішніх електронних оболонках по шість електронів, а атоми водню на своїх оболонках - але одному (Рис. 1, а). Причому на цих оболонках у першому випадку може розміститися максимум вісім електронів, а в другому - максимум два. Найбільш стійка електронна структура утворюється тоді, коли оболонки заповнені повністю. Подібну стійку структуру має молекула води, що виникає при з'єднанні одного атома кисню і двох атомів водню. Як схематично показано на (рис.1,б), в атома кисню і атомів водню з'являються загальні електрони, і в результаті електронні оболонки цих атомів заповнюються до кінця. Такі зв'язки називаються ковалентними. Ковалентні зв'язки надзвичайно стійкі, а значить, міцні. Краще уявити сказане допомагає приклад самого твердого в світі речовини - алмазу, який складається з атомів вуглецю, з'єднаних ковалентними зв'язками. Ковалентні зв'язки, що скріплюють молекули води, не рвуться навіть при фазових переходах «вода - пар - лід ». Для їх розриву доводиться застосовувати спеціальні методи - наприклад, електроліз. Досвід Кавендіша, описаний вище, можна назвати першою спробою людини навмисно зруйнувати ковалентні зв'язки молекул води. Водневі зв'язки, діють між молекулами води, у порівнянні з ковалентними зв'язками, діючими всередині молекул води, водневі зв'язки, що скріплюють в кристалах льоду ці молекули між собою, виявляються набагато слабкіше. По своїй силі вони менше ковалентних в 24 рази. Втім, про ці зв'язках можна говорити і як про в міру сильних, і як про в міру слабких, чому є безліч підстав. На користь першого, наприклад, говорить той факт, що лід може зберігати свою форму, що його доводиться розбивати, що по ньому можна ходити або кататися на ковзанах. На користь Друге свідчення пластичне протягом льоду під дією сили, що перевищує деяку величину, утворення льодовиків і айсбергів. Коли лід, тая, перетворюється на воду, відбувається руйнування водневих зв'язків. Однак при цьому рвуться не всі зв'язки. Якась їх частка все ж зберігається, і в результаті структура льоду зникає не повністю. Сказаним можна пояснити максимальну щільність води при -4-4 ° С. Пар відповідає такому стану, коли всі водневі зв'язку розірвані. Якби ці зв'язки були міцніше, то при тих температурах і тиску, при яких протікає наше життя, вода і лід не могли б так легко випаровуватися. З другого розділу ми знаємо, як важливий кругообіг води, а з третього розділу нам відомо, що круговорот можливий тому, що умови на поверхні Землі, де ми живемо, на діаграмі станів води випадково потрапляють в околицю потрійної точки. Однак фундаментальна причина, яка робить таку ситуацію. можливою, полягає в слабкості і неміцності водневих зв'язків. Воістину, природа сотворена за дивовижно тонким планом! На одних водневих зв'язках побудовані тільки кристали льоду, але ці ж зв'язки відіграють надзвичайно важливу роль в існуванні всього живого), в білках, нуклеїнових кислотах, інших біополімерах, а також в таких органічних з'єднаннях, як спирт. Ми не помилимося, якщо скажемо, що і в тілі людини протікають біохімічні процеси, що підтримують наше життя, і домашнє прання, приготування їжі.

Водневі зв'язки відіграють найважливішу роль в існуванні всіх форм життя на Землі, це процеси, при яких розриваються або утворюються не дуже сильні водневі зв'язку.

Водневі зв'язки, так само, як і іонні, по суті утворюються за рахунок електростатичної взаємодії, завдяки якому позитивні і негативні заряди притягуються один до одного. Як можна здогадатися за внутрішньою будовою молекули води (рис. 1,б), час, який електрони проводять в околиці ядер атомів водню, набагато менше часу, який вони проводять в околиці ядра атома кисню. Але це означає, що атоми водню в молекулі води позбавлені електронної оболонки, тобто являють собою голі ядра або протони. Електрони володіють негативним електричним зарядом, а протони - позитивним. Таким чином, наявна в молекули води пара горбків несе позитивний електричний заряд. Крім того, молекула води як ціле не володіє зарядом (тобто нейтральна), а отже, на іншому її краю, протилежному бугоркам, повинен бути зосереджений негативний заряд.

Рис. 2 Водневий зв'язок. Позитивно заряджений горбок однієї молекули води і негативно заряджений край (ізольована електронна пара) іншої молекули встановлюються строго напроти один одного

Цей край молекули, що несе негативний заряд, часто називають ізольованою електронної парою. Освіта водневого зв'язку відбувається наступним чином. Позитивно заряджений горбок однієї молекули води встановлюється прямо протии негативно зарядженої ізольованою електронної пари іншої молекули, зближується з нею, і між ними виникають сили електростатичного взаємодії (Рис. 2). Строгості заради необхідно уточнити, що в данному випадку крім електростатичних сил діють та інші міжмолекулярні сили - дисперсійні і обмінні, поява яких викликано квантово-механічними причинами. Всього навколо молекули води обертається 10 електронів. Якби можна було безпосередньо поглянути на молекулу води, то виявилося б, що вона закутана електронним хмара, немов пухнастий кульку. При зближенні двох молекул їх електронні хмари трохи деформуються, і між ними виникають сили притягання. Ці сили називають дисперсійними. У тому випадку, якщо електронні хмари зближуються ще більше і починають перекриватися, між ними відповідно з квантовомеханічним забороною Паулі виникають сили відштовхування, такі сили носять назву обмінних. У кристалах льоду молекули води розташовуються таким чином, що електростатичні і дисперсійні сили тяжіння суворо врівноважуються обмінними силами відштовхування. Довжина водневих зв'язків (тобто міжмолекулярна відстань, рівну 2,76 А) визначається саме цією умовою.

1.2 Розташування протонів і правила Бернала - Фаулера

У 1929 р. англієць Варні запропонував модель іонного кристала, згідно з якою кожен протон розташовується між двома атомами кисню на однаковій відстані від того і від іншого (рис. 3). Однак незабаром з'ясувалося, що ця модель невдала. З моделі Барнса слідує, що лід, подібно кухонної солі, утвореної іонами Nа⁺ і С1^-, побудований з іонів Н⁺ і O₂, але насправді лід виявляє чимало таких властивостей, які неможливо пояснити, якщо вважати його іонним кристалом. Як буде показано нижче, електричні властивості льоду і, зокрема, здатність проводити постійний струм і діелектричну поляризацію важко інтерпретувати в рамках іонної моделі.

Рис. 3 Модель іонного кристала льоду. Кожен протон розташовується між двома атомами кисню иа однаковій відстані від того і від іншого. Відповідно до цієї моделі, лід є іонним кристалом, що суперечить експериментальним даними

Спостерігаючи спектр поглинання льоду в інфрачервоній області, також можна зробити висновок, що лід є не іонним, а молекулярним кристалом. Бернал і Фаулер спробували розрахувати енергії для всіляких конфігурацій розташування протонів відмінне особливою стійкістю, але їм так і не вдалося це зробити звідки вони уклали, що розташування протонів в кристалах льоду не впорядкований і може бути яким завгодно, лише б тільки були виконані наступні дві умови:

1) поблизу одного ядра атома кисню завжди повинні знаходитися два протони (досконалість молекул води);

2) однієї водневої зв'язку повинен відповідати тільки один протон (досконалість водневих зв'язків).

Ці дві умови в даний час прийнято називати правилами Бернала - Фаулера або правилами льоду. Правила Бернала - Фаулера говорять про те, що молекули води в кристалах льоду орієнтуються таким чином, щоб утворити з чотирма іншими найближчими молекулами води правильні водневі зв'язки. У наші дні це припущення вже ні в кого не викликає сумнівів. Проте спочатку сучасники поставилися до нової теорії з недовірою, оскільки по Берналь і Фаулеру виходило, що положення протонів в кристаллах льоду змінюються з часом, причому самі ці положення, а отже, і орієнтація молекул води визначаються неоднозначно. Висновок Бернала і Фаулера можна виразити й інакше: у відношенні розташування протонів лід є аморфним тілом, тобто склом. Не дивно, що сучасники виявилися не в змозі зрозуміти, як лід, який вважався перш представником кристалів, може володіти ще, і властивостями аморфного тіла (скла).

1.3 Статистична модель льоду

Важкозбагненної на перший погляд двоїсту природу льоду першим усвідомив Полінг з Каліфорнійського технологічного інституту, удостоєний згодом Нобелівської премії в області хімії і Нобелівської премії миру. Саме він в 1935 р. і запропонував нині визнану статистичну модель льоду. У статистичній моделі льоду положення протонів вважаються стовідсотковими динамічними вели-чинами, тобто мається на увазі, що правила Бернала - Фаулера справедливі в статистичному сенсі, При цьому кожен протон робить швидкі перескоки туди і назад між двома стійкими полями в водневого зв'язку. Таким чином, якщо в деякий момент часу протони займають одні положення, що задовольняють правилам Бернала-Фаулера, то в наступний момент вони переходять в інші положення. Згідно статистичної моделі, в кристалі льоду ні на мить не припиняється зміна розташувань протонів, виникають все нові і нові конфігурації з численного набору. Вимірювання діелектричної поляризації, про яких мова піде нижче, показують, що за одну секунду відбувається близько 10 таких змін. Кристал льоду, в якому за одну секунду виникає і зникає 10 000 різних варіантів розташування протонів, нагадує переповнену в годину пік платформу приміських електропоїздів. Таке розташування протонів в кристалах льоду відображає невпорядкованість цих кристалів. Термін «Невпорядкованість» означає в даному випадку не стільки відсутність будь-якого порядку в способі розташування протонів, скільки різноманіття послідовно реалізуються варіантів розташування.

1.4 Ідеальний кристалічний лід

З точки зору розташування атомів кисню лід являє собою кристал. З іншого боку, з урахуванням невпорядкованості розташування протонів його можна віднести і до аморфних тіл. Однак стан з неупорядкованим розташуванням протонів не можна вважати стійким при абсолютному нулі. Тим не менш лід, що володіє кристалічними властивостями, як з точки зору розташування атомів кисню, так і з точки зору розташування атомів водню, тобто ідеальний кристалічний лід, повинен існувати реально.

Так що ж потрібно зробити, щоб отримати ідеальний кристалічний лід? У статистичній моделі льоду передбачається, що при всіх численних варіаціях розташування протонів, що задовольняють правилам Бернала - Фаулера, повна енергія залишається незмінною. Легко бачити, однак, що енергії для різних конфігурацій трохи відрізняються. Їх різниця дуже мала (ймовірно, менше 1% від енергії решітки), тому стійке розташування протонів не досягається. Отже, забезпечивши необхідні умови, можна і справді отримати повністю порядкований ідеальний кристалічний лід. Щоб цього досягти, потрібно довгий час підтримувати лід при низькій температурі, тобто потрібно дуже сильно охолодити кристал льоду і спокійно чекати. При низьких температурах невелика відмінність в енергіях у різних конфігурацій розташування протонів стає помітним, і неврегульоване розташування поступово переходить у впорядкований, володіє меншою енергією. Експериментальні дані, що свідчать про впорядкування розташування протонів, були отримані ще в 1936 р. Дослідники повідомляли, що в інтервалі температур від -188 ° С до -173 ° С для встановлення теплової рівноваги потрібен дуже великий час. Однак з приводу відкритої ними залишкової ентропії вони писали, що інтерпретація Полінга виглядає переконливіше їх власної. У підсумку Джіок і Стаут не вдалося правильно пояснити уповільнене встановлення теплової рівноваги і вони не побачили, що така поведінка льоду відкриває можливість отримання ідеального кристала. Наявність поблизу -170 ° С аномалії теплоємності було в 1960-х роках підтверджено багатьма дослідниками. У 1972 р. Хайда, Мацуо, Суга і Секі (Університет м. Осака) за допомогою адіабатичного калориметра виконали виміри теплоємності і довели існування в кристалах льоду впорядкування розташування протонів. Для цього вони вимірювали теплоємність трьох типів зразків, нагріваючи їх від низьких температур до більш високих. У першому випадку був узятий лід, тільки що різко охолоджений до температури рідкого азоту, у другому- лід, що зберігався при -180 ° С протягом 71 ч, а в третьому - лід, що зберігався при цій температурі протягом 624 ч. На рис. 4 представлені результати описаних вимірювань; при цьому по осі ординат відкладена теплоємність, ділена на абсолютну температуру. Поблизу -170 ° С криві залежності теплоємності від температури мають максимум. Для зразка льоду, взятого відразу після різкого охолодження, це не настільки помітно, але для двох інших зразків виявити максимуми не складно. З малюнка видно, що величина максимуму тим більше, чим довше зразок зберігався при низькій температурі. Таке явище можна пояснити наступним чином. Під час тривалого зберігання зразка льоду при низькій температурі невпорядковане розташування протонів поступово змінюється впорядкованим, хоча цей процес зачіпає і не всі протони відразу. За міру впорядкування залишкова ентропія знижується. Якщо потім почати повільно нагрівати зразок, то при деякій критичній температурі протони знову повернуться до колишнього неупорядкованого розташування. У цей момент відбудеться поглинання тепла з навколишнього середовища, що зовні буде виглядати як поява максимуму теплоємності. З термодинаміки відомо, що в разі настільки повільних явищ відношення теплоти до абсолютної ентропії. Отже, площі заштрихованих на малюнку областей відповідають пониженню ентропії за рахунок впорядкування розташування протонів. Розрахунки ентропії для льоду, що зберігався при низькій температурі 624 год (26 діб), говорять про те, що пониження становить приблизно 2% від величини залишкової ентропії абсолютно неупорядкованого льоду. Іншими словами, за 26 діб зберігання 2% абсолютно хаотично розташованих протонів шикуються впорядкованим чином. Отже, упорядкування розташування протонів відбувається вкрай повільно. Пояснення цьому наступне. Впорядкування розташування протонів викликано тим, що для різних конфігурацій розташування енергії не однакові. Для того щоб різниця енергій стала помітною, потрібна низька температура, але через низьку температуру зміна розташування протонів у часі вкрай сповільнюється. Результати найпростіших розрахунків, виконаних на підставі експериментальних даних групи Хайда, говорять про те, що для 100%-го упорядкування розташування протонів, тобто для отримання ідеального кристалічного льоду, що володіє нульовою залишкової ентропією, треба зберігати лід при низьких температурах щонайменше три з половиною роки. Не можна сказати, щоб це було неможливо, протее в дійсності поставити такий експеримент досить важко. До цих пір ідеальний кристалічний лід ще ніким не був отриманий. Тим не менше автор переконаний, що де-небудь на Землі або в Сонячній системі такий лід є.

Рис. 4 Залежність теплоємності кристалічного льоду від температури, - швидке охолодження зі швидкістю 10 ° С / хв (2 - зберігання при -179 "С протягом 71 години; 3 - зберігання при -184 "С протягом 624 годин)



2. Модифікації льоду

Найбільш вивченим є лід I-ї природної модифікації. Лід зустрічається в природі у вигляді льоду (материкового, плаваючого, підземного і так далі), а також у вигляді снігу інею і так далі. Він поширений у всіх областях проживання людини. Збираючись у величезних кількостях, сніг і лід утворюють особливі структури з принципово іншими, ніж в окремих кристалів або сніжинок, властивостями. Льодовики, крижані покриви, вічна

мерзлота, сезонний сніговий покрив істотно впливають на клімат великих регіонів і планети в цілому: навіть ті, хто ніколи не бачив снігу, відчувають на собі дихання його мас, що скупчилися на полюсах Землі, наприклад, у вигляді багатолітніх коливань рівня Світового океану. Лід має настільки велике значення для подоби нашої планети і комфортного проживання на ній живих істот, що учені відвели для нього особливе середовище - кріосферу, яка випрала свої володіння високо в атмосферу і глибоко в земну кору.

Природний лід зазвичай значно чистіше, ніж вода, оскільки розчинність речовин (окрім NH₄F) у льоду вкрай низька.

Таблиця 1

Деякі властивості льоду І

Властивості	Значення	Примітки
Теплоємність, кал/(г··°C) Теплота танення, кал/г Теплота паротворення, кал/г	0,51 (0°C) 79,69 677	Сильно зменшується з пониженням температури
Коефіцієнт термічного розширення, 1/°C	9,1·10-5 (0°C)
Теплопровідність, кал/(см сек··°C)	4,99·10-3
Показник заломлення: для звичайного променя для незвичайного променя	1,309 (--3°C) 1,3104 (--3°C)
Питома електрична провідність, ом-1·см-1	10-9 (0°C)	Кажущаяся энергия активации 11 ккал/моль
Поверхнева електропровідність,ом-1	10-10 (--11°C)	Енергія, що здається активації 32 ккал/моль
Модуль Юнга, дин/см	9·1010 (--5°C)	Полікрісталліч. лід
Опір, Мн/м2: розчавлюванню розриву зрізу	2,5 1,11 0,57	Полікристалічний лід
Середня ефективна в'язкість пз	1014	Полікристалічний лід
Показник міри статичного закону течії	3
Енергія активації при деформації і механічній релаксації, ккал/моль	11,44--21,3	Лінійно зростає на 0,0361 ккал/(моль·°C) від 0 до 273,16

Примітка.1 кал/(гЧ°С)=4,186 кдж/ ( кг (К);1 ом ^-1 Ч см ^-1 =10 сім/м-кодів; 1 дінів/см =10 ^-3 н/м; 1 кал/ ( см ( сік Ч°С)=418,68вт/ ( м- код (К) ; 1 пз= 10 ^-1 н ( сек/м ^2.)

Таблиця 2

Кількість, поширення і час життя льоду І

Вигляд льоду	Маса	Площа поширення	Середня концен трация г/см2	Швидкість приросту маси, г/рік	Середній час життя,рік
	г	%	млн. км2	%
Льодовики	2,4·10 22	98,95	16,1	10,9 суші	1,48·10 5	2,5·10 18	9580
Підземний лід	2·10 20	0,83	21	14,1 суші	9,52·10 3	6·10 18	30--75
Морський лід	3,5·10 19	0,14	26	7,2 океану	1,34·10 2	3,3·10 19	1,05
Сніговий покрив	1,0·10 19	0,04	72,4	14,2 Землі	14,5	2·10 19	0.3--0,5
Айсберги	7,6·10 18	0,03	63,5	18,7 океану	14,3	1,9·10 18	4,07
Атмосферний лід	1,7·10 18	0,01	510,1	100 Землі	3,3·10 --1	3,9·10 20	4·10 --3

У зв'язку з широким поширенням води і льоду на Землі відмінність властивостей льоду від властивостей інших речовин грає важливу роль в природних процесах. Унаслідок меншою, ніж у води, щільність лід утворює на поверхні води плавучий покрив що оберігає річки і водоймища від донного замерзання. Залежність між швидкістютечії і напругою в полікристалічного льоду гіперболічна; при наближеному описі її статечним рівнянням показник міри збільшується по мірі зростання напруги. Крім того, швидкість перебігу льоду прямо пропорційна енергії активації і назад пропорційна абсолютній температурі, так що з пониженням температури лід наближається по своїх властивостях до абсолютно твердого тіла. В середньому при близькій до танення температурі текучість льоду в 106 разів вища, ніж в гірських порід. Завдяки своїй текучості лід не нагромаджується в одному місці, а у вигляді льодовиків постійно переміщається. Лід важко розплавити, як би ні дивно це звучало. Не будь водневих зв'язків що зчіплюють молекули води, він плавився б при -90°С. При цьому, замерзаючи, вода не зменшується в об'ємі, як це відбувається з більшістю відомих речовин, а збільшується - за рахунок утворення сітчастої структури льоду.

Унаслідок дуже високої відбивної здатності льоду (0,45) і снігу (до 0,95) покрита ними площа - в середньому за рік близько 72 млн. км² у високих і середніх широтах обох півкуль - отримує сонячного тепла на 65% менше норми і є потужним джерелом охолоджування земної поверхні, ніж значною мірою обумовлена сучасна широтна кліматична зональність. Влітку в полярних областях сонячна радіація більша, ніж в екваторіальному поясі, проте температура залишається низькою, оскільки значна частина тепла, що поглинається, витрачається на танення льоду, що має дуже високу теплоту танення. До інших незвичайних властивостей льоду відносять і генерацію електромагнітного випромінювання його зростаючими кристалами. Відомо, що більшість розчинених у воді домішок не передається льоду, коли він починає зростати; вони виморожується. Тому навіть на найбруднішій калюжі плівка льоду чиста і прозора.

При цьому домішки скупчуються на кордону твердого і рідкого середовищ, у вигляді двох шарів електричних зарядів різного знаку які викликають значну різницю потенціалів. Заряджений шар домішок переміщається разом з нижнім кордоном молодого льоду і випромінює електромагнітні хвилі. Завдяки цьому процес кристалізації можна спостерігати в деталях. Так кристал, зростаючий в довжину у вигляді голки, випромінює інакше, ніж що покривається бічними відростками, а випромінювання зростаючих зерен відрізняється від того, що виникає коли кристали тріскаються. Формою, послідовності, частоті і амплітуді імпульсів випромінювання можна визначити, з якою швидкістю замерзає лід і яка при цьому виходить льодова структура.

Лід II, III і V-й модифікації тривалий час зберігаються при атмосферному тиску, якщо температура не перевищує -170°С. При нагріванні приблизно до -150°С лід перетворюються на кубічний лід Ic.

При конденсації пари води на холоднішій підкладці утворюється аморфний лід. Всі ці форми льоду можуть мимоволі переходити в гексагональний лід, причому тим швидше, чим вище температура.

Лід IV-й модифікації є метастабільною фазою льоду. Він утворюється набагато легше і особливо стабільний, якщо тиску піддається важка вода.

Крива плавлення льоду V і VII досліджена до тиску 20 Гн/м2 (200 тис. кгс/см2). При цьому тиску лід VII плавиться при температурі 400°С.

Лід VIII є низькотемпературною впорядкованою формою льоду VII.

Лід IX - метастабільна фаза, що виникає при переохолодженні льоду III і по суті що є його низькотемпературною формою.

Вперше поліморфізм льоду був виявлений Г. Тамманом в 1900 р. і детально вивчений П. Бріджеменом в 1912 р. У таблиці нижче приведені деякі дані про структури модифікацій льоду і деякі їх властивості:



Таблиця 3

Модифікація	Сингонія	Довжини водневих зв'язків (А)	Кути О-О-О в тетраедрах
I Ic II III V VI VII VIII IX	Гексагональна Кубічна Трігональная Тетрагон Моноклінна Тетрагон Кубічна Кубічна Тетрагон	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

Примітка:1 A=10^-10 м.

Таблиця 4

Щільність та статична діелектрична проникність різних типів льоду

модифікація	Температура оС	Тиск Мн/м2	Густина г/см2	Діелектрична проникність
І 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

Дві останні модифікації льоду - XIII і XIV - відкрили учені з Оксфорда в 2006 році. Припущення про те, що повинні існувати кристали льоду з моноклінними і ромбічними гратами, було важко підтвердити: в'язкість води при температурі -160°С дуже висока, і зібратися разом молекулам чистою переохолодженої води в такій кількості, аби утворився зародок кристала важко. Цього удалося досягти за допомогою каталізатора - соляної кислоти, яка підвищила рухливість молекул води при низьких температурах. У земній природі подібні модифікації льоду утворюватися не можуть, але вони можуть зустрічатися на замерзлих супутниках інших планет.

Розгадка структури льоду полягає в будові його молекули. Кристали всіх модифікацій льоду побудовані з молекул води H₂O, сполучених одневими зв'язками в тривимірний каркас (рис. 1). Молекулу води можна спрощено уявити собі у вигляді тетраедра (піраміди з трикутною підставою). У її центрі знаходиться атом кисню у двох вершинах - по атому водню, електрони яких задіяні в освіті ковалентному зв'язку з киснем. Дві вершини, що залишилися,

рис. 5 Структура льоду електронів кисню, які не беруть участь в утворенні внутрішньо молекулярних зв'язків тому їх називають неподіленими

Кожна молекула бере участь в 4 таких зв'язках, направлених до вершин тетраедра. При взаємодії протона однієї молекули з парою неподілених електронів кисню іншої молекули виникає водневий зв'язок, менш сильний, чим зв'язок внутрішньомолекулярна, але досить могутня, аби утримувати поруч сусідні молекули води. Кожна молекула може одночасно утворювати чотири водневі зв'язки з іншими молекулами під строго певними кутами, рівними 109°28' направлених до вершин тетраедра, які не дозволяють при замерзанні створювати щільну структуру.

При цьому в структурах льоду I, Ic, VII і VIII цей тетраедр правильний. У структурах льоду II, III, V і VI тетраедри помітно спотворено. У структурах льоду VI, VII і VIII можна виділити 2 взаимоперекрещивающиеся системи водневих зв'язків. Цей невидимий каркас з водневих зв'язків розташовує молекули у вигляді сітчастої сітки, по структурі що нагадує соти з порожнистими каналами. Якщо лід нагрівати сітчаста структура руйнуватиметься: молекули води починають провалюватися в порожнечі сітки наводячи до щільнішої структури рідини, - тому вода важча за лід.

Лід, який утворюється при атмосферному тиску і плавиться при 0 °С, - саме звичне, але все таки до кінця не зрозуміла речовина. Багато що в його структурі і властивостях виглядає незвично. У вузлах кристалічної решітки льоду атоми кисню збудовані впорядковано, утворюючи правильні шестикутники, а атоми водню займають самі різні положення уздовж зв'язків. Тому можливі 6 еквівалентних орієнтацій молекул води відносно їх сусідів. Частина з них виключається, оскільки знаходження одночасно 2 протонів на одному водневому зв'язку маловірогідно, але залишається достатня невизначеність в орієнтації молекул води. Така поведінка атомів нетипово, оскільки в твердій речовині всі підкоряються одному закону: або все атоми розташовані впорядковано, і тоді це - кристал, або випадково, і тоді це - аморфна речовина. Така незвичайна структура може реалізуватися в більшості модифікацій льоду - I, III, V, VI і VII (і очевидно в Ic), а в структурі льоду II, VIII і IX молекули води орієнтаційно впорядковано. По вираженню Дж. Бернала лід кристалічний відносно атомів кисню і склоподібний відносно атомів водню.

Значення льоду важко недооцінити. Лід робить великий вплив на умови проживання і життєдіяльності рослин і тварин, на різні види господарської діяльності людини. Покриваючи воду зверху, лід грає в природі роль свого роду плавучого екрану що захищає річки і водоймища від подальшого замерзання і зберігає життя підводному світу. Якби щільність води збільшувалася при замерзанні, лід виявився би важче за воду і почав тонути, що привело б до загибелі всіх живих істот в річках озерах і океанах, які замерзнули б цілком, перетворившись на глиби льоду, а Земля стала крижаною пустелею, що неминуче привело б до загибелі всього живого. Лід може викликати ряд стихійних лих з шкідливими і руйнівними наслідками - обмерзання літальних апаратів, судів, споруд, дорожнього полотна і грунти, град, завірюхи і снігові замети, річкові затори з повенями крижані обвали і ін. Прогнозування, виявлення, запобігання шкідливим явищам боротьба з ними і використання льоду в різних цілях (снігозатримання, пристрій крижаних переправ, ізотермічних складів, облицювання сховищ, льдозакладка шахт і т.п.) представляють предмет ряду розділів гідрометеорологічних і инженерно- технічних знань (ледотехника, снеготехника, інженерне мерзлотознавство і ін.) діяльності спеціальних служб (льодова розвідка, криголамний транспорт снігоприбиральна техніка, штучне скидання лавини і так далі). Природний лід використовується для зберігання і охолоджування харчових продуктів біологічних і медичних препаратів, для чого він спеціально виробляється і заготовлюється.



3. Лід і подвійна спіраль

Найдивніше в структурі льоду полягає в тому, що молекули води при низьких негативних температурах і високих тисках усередині нанотрубок можуть кристалізуватися у формі подвійної спіралі, схожої на ДНК. Це було доведено комп'ютерними експериментами американських учених під керівництвом Сяо Чен Цзена у Університеті штату Небраска (США).

Вода в модельованому експерименті "поміщалася" в нанотрубки під високим тиском що варіюються в різних дослідах від 10 до 40000 атмосфер. Після цього задавали температуру, яка у всіх запусках мала значення -23°C. Запас в порівнянні з температурою замерзання води робився у зв'язку з тим, що з підвищенням тиску температура плавлення водяного льоду знижується. Діаметр нанотрубок складав від 1,35 до 1,90 нм.

Молекули води зв'язуються між собою за допомогою водневих зв'язків, відстань між атомами кисню і водню рівне 96 пм, а між двома водопологами - 150 пм. У твердому стані атом кисню бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води. При цьому окремі молекули H2O стикаються друг з другом різнойменними полюсами. Таким чином, утворюються шари, в яких кожна молекула пов'язана з трьома молекулами свого шару і одній з сусіднього. В результаті кристалічна структура льоду складається з шестигранних "трубок" сполучених між собою, як бджолині соти.

Учені чекали побачити, що вода у всіх випадках утворює тонку трубчасту структуру. Проте, модель показала, що при діаметрі трубки в 1,35 нм і тиску в 40000 атмосфер водневі зв'язки скривилися, привівши до утворення спіралі з подвійною стінкою. Внутрішня стінка цієї структури є скрученою в четверо спіраллю, а зовнішня складається з чотирьох подвійних спіралей, схожих на структуру молекули ДНК. Останній факт накладає відбиток не лише на еволюцію наших уявлень про воді, але і еволюцію раннього життя і самої молекули ДНК. Якщо передбачити, що у епоху зародження життя кріолітні глинисті породи мали форму нанотрубок, виникає питання - чи не могла вода, сорбована в них служити структурною основою (матрицею) для синтезу ДНК і причитування інформації? Можливо, тому спіральна структура ДНК повторює піральну структуру води в нанотрубках. Тепер нашим зарубіжним колегам належить підтвердити існування таких макромолекул води в реальних експериментальних умовах з використанням інфрачервоній спектроскопії і спектроскопії нейтронного розсіяння.



4. Танучий чистий лід

У природі, напевно, немає двох абсолютно однакових сніжинок. Кожен момент часу, кожна точка простору в один і той же момент часу, несуть свою неповторну інформацію у вигляді фізико-хімічних чинників зовнішнього середовища яку сприймає і фіксує в своїй структурі сніжинка, що утворюється. Кожна сніжинка, падаючи на землю, проходить через шари повітря, що відрізняються вологістю температурою, забрудненням і іншими параметрами. Тому серед мільйонів сніжинок навряд чи можна знайти дві абсолютно однакові. Аби не плутатися з різноманіттям сніжинок, Міжнародна комісія з снігу і льоду прийняла в 1951 році досить просту класифікацію кристалів льоду: пластинки зірчасті кристали, стовпці або колони, голки, просторовий дендрит, стовпці з наконечниками і неправильні форми. І ще три види обмерзлих опадів: дрібна снігова крупа, крижана крупа і град. Тим же законам підкоряється і зростання інею, паморозі і узорів на склі. Ці явища, як і сніжинки, утворюються при конденсації, молекула за молекулою - на землі, траві деревах. Узори на вікні з'являються в мороз, коли на поверхні скла конденсується волога теплого кімнатного повітря. А ось градини виходять при застиганні крапель води або коли в насичених водяною парою хмарах лід щільними шарами намерзає на зародки сніжинок. На градини можуть намерзати інші, вже сніжинки, що сформувалися, сплавляючись з ними, завдяки чому градини приймають найхимерніші форми.



Висновки

В даній курсовій роботі було розглянуто декілька основних видів льоду, тож по кожному з них можна зробити такі висновки:

I. Атмосферний лід: сніг, іній, град;

II. Водний лід (крижаний покрив), що утворюється на поверхні води і в масі води на різній глибині: внутріводний, донний лід;

III. Підземний лід

Підземні льоди - льоди, що знаходяться у верхніх шарах земної кори. Підземні льоди зустрічаються в областях розповсюдження багаторічномерзлих порід. За часом утворення розрізняють сучасний і викопний підземний лід, за походженням:

а). первинний лід, що виникає в процесі промерзання пухких відкладень;

б). вторинний лід - продукт кристалізації води і водяної пари в: тріщинах ( жильний лід ); в порах і пустотах ( печерний лід ); похований лід, що формується на земній поверхні, а потім перекритий осадовими породами;

IV. Льодовиковий лід.

Льодовиковий лід - монолітна крижана порід, що складають льодовики;

Льодовиковий лід утворюється в основному з скупчення снігу в результаті його ущільнення і перетворення;

А також: Голчатий лід, Сіро-білий лід, Сірий лід, Поверхневий лід,

Сало - поверхневі первинні крижані утворення, що складаються з іглообразних і пластинчастих кристалів у вигляді плям або тонкого суцільного шару сірого кольору;

Крижані сталактити, звані в просторіччі "бурульки", знайомі кожному;

Крижані антоліти -Лід утворює також паралельно-шестоватие агрегати у вигляді волокнистих прожилки в пористих грунтах, а також на їх поверхні;

"Сухий лёд" - тверда двоокис вуглецю (СО2), при звичайних умовах (атмосферному тиску і кімнатній температурі) переходить в пароподібний стан, минаючи рідку фазу;

Харчовий лід ;

Гарячий лід - це гаряча вода, затверділа при високому тиску, понад 6380 атм.;

Морський лід ;

Рідкий гелеподібні Лід (Binary Ice);



Список використаної літератури

1. Шумский П. А., Основы структурного ледоведения, М., 1955.

2. Паундер Э. Р., Физика льда, пер. с англ., М., 1967.

3. Маєно, Наука о льде. Издательство «Мир».

4. www.twirpx.com.

Размещено на Allbest.ru

...