В повседневной жизни лёд кажется простым веществом с одним набором свойств: он твёрдый, скользкий и плавает в воде. Но привычный лёд — лишь одна из возможных форм твёрдой воды, а его поведение зависит от температуры, давления и того, как именно он образовался. При изменении условий молекулы воды могут выстраиваться в другие кристаллические структуры или вовсе не образовывать упорядоченную решётку. Некоторые редкие формы существуют только при экстремальном давлении, другие можно получить в лаборатории при низких температурах.
Разнообразие льда объясняется тем, что его молекулы способны складываться в разные структуры, сохраняя химическую формулу H₂O. В кристалле важны не только положения атомов кислорода, но и расположение атомов водорода: оно может быть частично беспорядочным или упорядоченным. Поэтому лёд — не единственный материал с неизменными свойствами, а целое семейство твёрдых состояний воды. Ниже рассмотрены несколько примеров, показывающих, где привычные представления о льде перестают работать.
- Обычный лёд — не единственный кристалл воды
- Кубическая и смешанная укладка
- Лёд без кристаллической решётки
- Кристаллы, устойчивые при высоком давлении
- Когда водород в льду начинает двигаться
- Сверхионный лёд
- Упорядоченный лёд XI
- Пористый лёд и хранение водорода
- Сравнение необычных форм льда
- Что эти исключения меняют в понимании льда
- Частые вопросы
- Сколько существует видов льда?
- Может ли лёд быть плотнее воды?
- Сверхионный лёд — это жидкость?
Обычный лёд — не единственный кристалл воды
Лёд, который образуется в морозильнике или в природе при обычном давлении, в основном относится к гексагональной форме Ih. В ней молекулы воды образуют кристаллическую решётку с характерной шестикратной симметрией. Именно такая структура часто определяет форму снежинок, хотя конкретный рисунок кристалла зависит от условий роста и не сводится к одному шаблону. Обозначение Ih помогает отличать эту привычную форму от других кристаллических фаз.
При атмосферном давлении лёд Ih менее плотный, чем жидкая вода вблизи точки замерзания: плотность льда составляет примерно 0,917 г/см³, а воды при 0 °C — около 1,000 г/см³. Поэтому кусок льда обычно держится на поверхности воды. Это не универсальное свойство всех льдов: при достаточно высоком давлении возникают структуры, в которых молекулы упакованы плотнее. Исключение не опровергает плавучесть обычного льда, а показывает, что она связана с конкретной кристаллической формой и условиями.
Кубическая и смешанная укладка
Кроме гексагонального льда известна кубическая форма Ic. В ней слои молекул укладываются по другому правилу, чем в Ih. На практике структура может содержать чередование гексагональных и кубических участков, поэтому для таких образцов используют название «лёд со смешанной укладкой». Это важная оговорка: природный или лабораторный образец не всегда соответствует идеальной модели одной чистой кристаллической фазы.
Кубические и смешанные формы изучают, в частности, в связи с образованием ледяных частиц в атмосфере и при охлаждении водяного пара. Но нельзя считать, что весь лёд в облаках имеет одну и ту же структуру: она зависит от температуры, влажности и истории формирования частиц. Сравнение таких образцов помогает понять, как меняются свойства льда при переходе от одной последовательности слоёв к другой.
Лёд без кристаллической решётки
Не всякая твёрдая вода является кристаллом. В аморфном льду молекулы не образуют дальнего периодического порядка, характерного для кристаллической решётки. Такой материал может возникать, если вода быстро охлаждается или осаждается из пара на очень холодную поверхность. В результате молекулы оказываются «зафиксированы» в неупорядоченной структуре, и для превращения в кристалл им требуется дополнительная подвижность.
Известны аморфные формы с разной плотностью, в том числе низкоплотный и высокоплотный аморфный лёд. Их изучение важно для понимания того, как связаны структура твёрдой воды и свойства жидкой воды при сильном охлаждении. Однако описание аморфных образцов сложнее, чем перечисление кристаллических фаз: свойства зависят от способа получения, температуры и последующей обработки. Поэтому название «аморфный лёд» охватывает не один универсальный образец, а класс неупорядоченных состояний.
Кристаллы, устойчивые при высоком давлении
Если давление повышать, обычная гексагональная структура перестаёт быть единственно возможной. Вода образует несколько плотных кристаллических фаз, которые обозначают римскими цифрами: среди них лёд II, III, V, VI и VII. Нумерация отражает историю обнаружения и классификации, а не простую шкалу от «слабого» к «сильному» льду. Для каждой фазы важна область температуры и давления, в которой она устойчива.
Особенно известен лёд VII — плотная кубическая фаза, возникающая при давлениях порядка нескольких гигапаскалей. Один гигапаскаль равен миллиарду паскалей, поэтому речь идёт о давлениях, намного превосходящих обычное атмосферное. Внутри планет и спутников вода может находиться под условиями, при которых такие фазы становятся физически значимыми. Но нельзя по одному названию фазы заключать, что она обязательно присутствует в конкретном небесном теле: это зависит от его внутреннего давления, температуры и состава.
При ещё более высоких давлениях структура может переходить к состояниям, в которых атомы водорода оказываются сильнее связаны между соседними атомами кислорода. В частности, лёд X описывает предельный случай, связанный с симметричным расположением водорода между кислородами. Такие переходы помогают исследовать поведение водородных связей, но их условия нельзя свести к одной температуре: границы фаз зависят от давления и других параметров эксперимента.
Когда водород в льду начинает двигаться
Сверхионный лёд
Сверхионное состояние — один из самых необычных примеров твёрдой воды. В нём атомы кислорода сохраняют упорядоченную кристаллическую структуру, а водородные ядра получают возможность перемещаться внутри неё. Поэтому материал одновременно сочетает твёрдый каркас и высокую подвижность положительно заряженных частиц. Его называют сверхионным не потому, что он становится обычной жидкостью, а из-за особого сочетания структурного порядка и ионного переноса.
Такое состояние получают и исследуют при сочетании очень высокого давления и высокой температуры. Эксперименты с экстремальным сжатием и нагревом дали свидетельства существования сверхионного льда; подобные условия существенно отличаются от земных повседневных условий. Его свойства интересны также для моделей внутренних областей ледяных планет, например Урана и Нептуна. Однако лабораторное обнаружение состояния и вывод о его точном распространении внутри планеты — разные задачи: для второй нужны модели состава и внутреннего строения.
Упорядоченный лёд XI
Ещё одно исключение связано не с необычным давлением, а с расположением водородов. В обычном гексагональном льду положения атомов водорода в значительной степени беспорядочны, хотя это не означает, что молекулы воды движутся свободно. При очень низкой температуре возможна упорядоченная форма Ih, известная как лёд XI. В ней водородный порядок меняется, тогда как общая гексагональная основа, образованная кислородами, сохраняется.
Для образования льда XI важна кинетика: в чистом льду перестройка может идти слишком медленно, чтобы быстро получить хорошо упорядоченный образец. Добавление небольшого количества щёлочи, например гидроксида калия, может облегчать процесс, а характерная температура перехода в таких экспериментах составляет примерно 72 K, то есть около −201 °C. Это значение следует понимать как ориентир для конкретных условий и образцов, а не как универсальную температуру превращения любого льда. Пример показывает, что даже внутри знакомой гексагональной структуры порядок водородов способен менять свойства материала.
Пористый лёд и хранение водорода
Лёд XVII — редкая пористая кристаллическая форма воды. Его получают из водосодержащих структур, в которых молекулы воды образуют полости с заключёнными внутри молекулами газа; после удаления гостевого газа может сохраняться открытая структура льда. Такая пористость делает лёд XVII интересным для исследований взаимодействия воды с газами, в том числе для обратимого поглощения водорода при низких температурах.
Важно не смешивать лёд XVII с обычным кубиком льда, в котором просто случайно оказались пузырьки воздуха. В пористой фазе свободные объёмы являются частью кристаллической структуры, а не набором случайных дефектов. Исследования такого материала относятся прежде всего к физике твёрдого тела и материалам для хранения газов. Это не означает, что лёд XVII уже является готовым практическим способом хранения водорода: для применения необходимо учитывать условия получения, устойчивость и возможность многократного использования.
Сравнение необычных форм льда
| Форма | Что необычно | Типичные условия или особенность |
|---|---|---|
| Лёд Ih | Привычная гексагональная структура; меньше плотность, чем у воды около 0 °C | Обычное атмосферное давление и низкая температура |
| Лёд Ic и смешанная укладка | Кубическая или чередующаяся последовательность слоёв | Связаны с особенностями образования ледяных частиц и образцов |
| Аморфный лёд | Нет дальнего кристаллического порядка | Быстрое охлаждение или осаждение на очень холодную поверхность |
| Лёд VII | Плотная кристаллическая фаза | Давление порядка нескольких гигапаскалей |
| Лёд XI | Упорядочены положения водорода | Очень низкая температура; переход зависит от образца и кинетики |
| Сверхионный лёд | Кислородный каркас остаётся упорядоченным, водород подвижен | Экстремально высокие давление и температура |
| Лёд XVII | Пористая кристаллическая структура | Получают из газосодержащего предшественника с удалением газа |
Что эти исключения меняют в понимании льда
Редкие фазы показывают, что слова «лёд» и «твёрдая вода» не задают единственного поведения вещества. При обычных условиях лёд расширяется при замерзании и плавает, но под высоким давлением вода формирует более плотные кристаллы. В одних образцах молекулы упорядочены, в других структура аморфна; в некоторых кристаллах особую роль играет порядок атомов водорода. А сверхионное состояние добавляет ещё один вариант: твёрдая структура может сосуществовать с подвижностью заряженных частиц.
Практически это важно для нескольких областей науки. Физика фаз помогает объяснять, как вода ведёт себя при экстремальных условиях, а исследования атмосферного льда уточняют, как формируются частицы в облаках. Высокобарические и сверхионные формы полезны для моделей планет, а пористые материалы рассматривают как объекты для изучения захвата и высвобождения газов. При этом свойства лабораторного образца нельзя автоматически переносить на природу или технологию: всегда нужно учитывать давление, температуру и способ получения.
Частые вопросы
Сколько существует видов льда?
Единого бытового числа нет: классификация включает множество кристаллических фаз, а также аморфные состояния. Число и обозначения зависят от того, какие структуры считать отдельными фазами и какие экспериментальные результаты включать в классификацию. Для понимания свойств полезнее различать условия и устройство конкретной формы, чем запоминать только список названий.
Может ли лёд быть плотнее воды?
Да. Привычный лёд Ih менее плотный, чем жидкая вода около точки замерзания, однако некоторые высокобарические формы льда имеют более плотную структуру. Плавучесть обычного льда не является законом для всех твёрдых состояний воды.
Сверхионный лёд — это жидкость?
Нет, это отдельное состояние вещества. В нём кислород образует упорядоченный твёрдый каркас, а водородные ядра могут перемещаться через него. Поэтому его поведение не совпадает ни с обычным кристаллическим льдом, ни с простой жидкой водой.
