Словом «лёд» называют и прозрачный кубик в стакане, и морской покров, и снежный наст, и материал многокилометровых ледников. Но эти примеры отличаются не всегда химическим составом или типом кристалла: важны происхождение, примеси, пористость, размер зёрен и условия образования. Чтобы сравнивать их правильно, нужно разделять структуру вещества и устройство природного ледяного образования.
При обычных земных условиях основная кристаллическая форма льда — гексагональный лёд Ih. Вода в нём образует упорядоченную кристаллическую решётку, связанную водородными связями. Другие формы возникают при особых температурах и давлениях, а многие заметные различия между льдиной, снегом и ледником объясняются не сменой кристаллической фазы, а включениями воздуха, солей и особенностями строения.
- Что происходит с водой при замерзании
- Разные значения слова «лёд»
- Кристаллические и аморфные формы
- Обычный гексагональный лёд Ih
- Кубический лёд и другие фазы
- Аморфный лёд
- Природные разновидности: от морского льда до ледника
- Морской лёд
- Снег, фирн и ледниковый лёд
- Иней и лёд на поверхности
- Почему лёд скользкий и почему он разрушается
- Как сравнивать образцы льда
- Частые вопросы
- Почему лёд плавает в воде?
- Снег — это лёд?
- Морской лёд солёный?
- Почему одни кубики льда прозрачные, а другие мутные?
- Все природные льды имеют одну структуру?
Что происходит с водой при замерзании
Молекулы воды состоят из атома кислорода и двух атомов водорода. При замерзании они выстраиваются в кристаллическую структуру, где водородные связи задают определённые расстояния и углы между молекулами. В обычном льду эта структура относительно разреженная по сравнению с жидкой водой, поэтому лёд при близких к точке замерзания условиях менее плотный и плавает.
Плотность чистого льда Ih около 0 °C и атмосферного давления составляет примерно 917 кг/м³. При превращении воды в лёд её объём увеличивается приблизительно на 9%; это одна из причин, по которой замерзающая вода способна повредить закрытые ёмкости и расширять трещины в породе. Значение относится к пресной воде и обычным условиям: солёность, температура, давление и пузырьки меняют характеристики образца.
Лёд не следует представлять как абсолютно неподвижный и одинаковый материал. Его кристаллы могут деформироваться, трескаться и менять взаимное расположение, а поверхность — взаимодействовать с воздухом и водой. Поэтому свойства целого ледяного массива зависят не только от молекулярной решётки, но и от масштаба наблюдения.
Разные значения слова «лёд»
В физике различают фазы льда — варианты кристаллической или некристаллической структуры вещества. В природоведении и повседневной речи названия часто описывают материал по его происхождению или внешнему виду. Например, морской лёд образуется из морской воды, но это не означает, что весь он представляет собой однородный солёный кристалл.
| Пример | Что в нём главное | Чем отличается от обычной льдинки |
|---|---|---|
| Лёд пресной воды | Преимущественно кристаллы Ih | Обычно мало растворённых солей; пузырьки и трещины зависят от условий замерзания |
| Морской лёд | Замёрзшая морская вода с включениями рассола | Содержит солёные поры и каналы; неоднороден по составу и структуре |
| Ледниковый лёд | Снег, уплотнённый и перекристаллизованный со временем | Может содержать пузырьки воздуха, слои и кристаллы разной ориентации |
| Снег и иней | Кристаллы льда, часто собранные в рыхлую структуру | Между кристаллами много воздуха; это не сплошной массив льда |
| Лёд высоких давлений | Иные кристаллические фазы | Возникает при сочетании давления и температуры, не характерном для поверхности Земли |
| Аморфный лёд | Твёрдая вода без обычного дальнего кристаллического порядка | Не имеет регулярной кристаллической решётки, как у льда Ih |
Кристаллические и аморфные формы
Обычный гексагональный лёд Ih
Лёд Ih — наиболее привычная форма: из него состоят зимний лёд на пресных водоёмах, большинство снежинок и значительная часть наземных ледников. «Гексагональный» описывает симметрию кристаллической решётки, а не обязательную форму каждого кусочка. Отдельный кристалл может иметь сложный контур, а крупная льдина обычно представляет собой множество кристаллов и дефектов.
Форма снежинки связана с тем, как кристалл растёт из водяного пара. Температура и влажность влияют на скорость роста разных граней, поэтому возникают пластинки, столбики и разветвлённые формы. При этом известное разнообразие снежинок не означает, что каждая имеет уникальную решётку: в обычных условиях это всё тот же лёд Ih, а различается геометрия кристалла и его история роста.
Кубический лёд и другие фазы
Помимо гексагональной структуры известна кубическая форма льда, которую обозначают Ic. Она может формироваться при определённых условиях осаждения водяного пара и является менее привычным вариантом, чем Ih. В реальных образцах возможны переходные и смешанные структуры, поэтому не каждый материал удаётся описать простым выбором между двумя идеальными решётками.
При высоком давлении вода образует и другие кристаллические фазы, обозначаемые римскими цифрами, например лёд II, III, V, VI и VII. Их существование установлено в лабораторных исследованиях фазовых состояний воды. Условия их устойчивости зависят одновременно от температуры и давления; поэтому такие формы не следует считать разновидностями, которые обычно можно встретить в стакане или на поверхности озера. Некоторые фазы важны для понимания вещества внутри крупных ледяных небесных тел, где давление значительно выше поверхностного земного.
Аморфный лёд
В аморфном льду молекулы не образуют регулярного дальнего порядка, характерного для кристалла. Его получают при специальных условиях охлаждения или сжатия; такие формы изучают, в частности, в связи с водой при очень низких температурах и веществом в космосе. Термин «аморфный» описывает структуру, а не означает, что материал жидкий: это твёрдое состояние воды.
Природные разновидности: от морского льда до ледника
Морской лёд
Когда морская вода замерзает, растущий лёд преимущественно включает в кристаллическую структуру молекулы воды, а растворённые соли в значительной мере вытесняются. Они остаются в концентрированном рассоле, который может находиться в порах и каналах. Поэтому морской лёд неоднороден: его солёность и проницаемость зависят от температуры и истории замерзания и таяния.
Это отличает морской лёд от льдины, замёрзшей из пресной воды, и влияет на его механические свойства. Однако морской лёд нельзя описать одним постоянным значением прочности или солёности: состояние образца меняется в пространстве и во времени. Также важно не путать лёд, образовавшийся из морской воды, с айсбергом: айсберги обычно откалываются от ледников или ледяных шельфов и состоят главным образом из пресного ледникового льда.
Снег, фирн и ледниковый лёд
Снег — это отдельные кристаллы и их скопления с большим количеством воздуха между ними. Под действием собственного веса, оседания и повторных изменений температуры снежный покров уплотняется; промежуточный плотный материал называют фирном. Дальнейшее уплотнение и перекристаллизация могут привести к образованию ледникового льда, но скорость и детали процесса зависят от местных условий.
Ледниковый лёд обычно сохраняет следы своего формирования. В нём встречаются пузырьки воздуха, слои, примеси пыли и кристаллы с разной ориентацией. Под нагрузкой ледник может медленно деформироваться и течь, а у основания — скользить, если этому позволяют условия контакта с породой и наличие воды. Это не означает, что любой кусок льда самопроизвольно движется заметным образом: речь идёт о поведении крупной массы на длительных временных масштабах.
Иней и лёд на поверхности
Иней возникает, когда водяной пар осаждается в виде кристаллов на холодной поверхности. Это отличается от замерзания капель жидкой воды, хотя в обоих случаях результатом становится лёд. Белёсый налёт часто выглядит непрозрачным из-за множества мелких кристаллов и границ между ними, где свет рассеивается.
Прозрачность бытовой льдинки также не является надёжным признаком отдельной фазы. Мутность часто связана с пузырьками воздуха, растворёнными газами, частицами примесей и тем, как продвигается фронт замерзания. Если лёд замерзает с одного направления, газ и примеси могут смещаться к ещё жидкой части, но результат зависит от конструкции ёмкости и условий охлаждения.
Почему лёд скользкий и почему он разрушается
Скользкость льда объясняют не одной универсальной причиной. У поверхности льда могут присутствовать молекулы с большей подвижностью, а при движении лыжи, конька или другого предмета возникает трение и локальный нагрев. Вклад этих факторов меняется с температурой, скоростью, нагрузкой и состоянием поверхности; сводить скольжение только к плавлению под давлением было бы чрезмерным упрощением.
Лёд способен вести себя и как хрупкое тело, и как материал, который постепенно деформируется. Быстрый удар может вызвать трещину, тогда как длительная нагрузка в леднике способствует медленному течению кристаллической массы. На результат влияют температура, примеси, размер зёрен, наличие трещин и направление кристаллов. Поэтому прочность лабораторного образца нельзя автоматически переносить на морской покров, снежный наст или целый ледник.
Как сравнивать образцы льда
Для осмысленного сравнения сначала уточняют, о каком масштабе и каком свойстве идёт речь. Прозрачность кубика, солёность морского покрова и способность ледника течь — разные характеристики, и ни одна из них сама по себе не определяет «вид льда» во всех смыслах. Полезно последовательно проверить несколько признаков:
- Происхождение: замёрзла ли пресная или морская вода, образовался ли материал из пара или уплотнился из снега.
- Структура: кристаллический это лёд или аморфный, а для кристаллического — какая фаза преобладает.
- Состав и включения: есть ли рассол, пузырьки воздуха, пыль, трещины или жидкая вода.
- Организация материала: один это кристалл, пористый снежный слой или крупный многокристаллический массив.
- Условия измерения: при каких температуре, давлении и нагрузке оценивали плотность, прозрачность или прочность.
Такой подход помогает избежать распространённой ошибки: считать, что любое внешнее различие означает другую фазу воды. В большинстве привычных земных примеров основой остаётся лёд Ih, но его свойства заметно меняются из-за примесей, пор и геологической истории.
Частые вопросы
Почему лёд плавает в воде?
При обычных условиях лёд Ih менее плотный, чем жидкая вода, поэтому он держится на поверхности. Это связано с особенностями структуры, которую создают водородные связи. Для необычных фаз льда при высоком давлении нельзя автоматически переносить это бытовое сравнение.
Снег — это лёд?
Снежинки состоят из кристаллического льда, но снежный покров обычно рыхлый и содержит много воздуха. Поэтому снег как материал не равен сплошному ледяному массиву. После уплотнения и перекристаллизации снежный материал может стать фирном, а затем участвовать в формировании ледникового льда.
Морской лёд солёный?
В нём могут оставаться солёные включения рассола, но он неоднороден и не представляет собой равномерно замёрзшую морскую воду. Количество рассола зависит от условий образования и последующих изменений. Поэтому морской лёд нельзя характеризовать одним постоянным значением солёности.
Почему одни кубики льда прозрачные, а другие мутные?
На вид влияют пузырьки, примеси и направление замерзания. Свет рассеивается на пузырьках и неоднородностях, из-за чего лёд кажется белёсым. Прозрачность не доказывает, что кубик состоит из иной кристаллической фазы.
Все природные льды имеют одну структуру?
Нет, при необычных сочетаниях температуры и давления существуют другие кристаллические фазы и аморфные формы. Но снег, ледники и пресноводный лёд на поверхности Земли в основном связаны с обычной гексагональной формой Ih. Их повседневные различия часто обусловлены происхождением, примесями и внутренним строением, а не другой фазой.
