Понятие о твёрдой воде

Когда произносят слово "вода", то подразумевают обычно, что речь идёт о жидкости. Но вода часто находится в твёрдом состоянии - в виде льда.

В первой четверти ХХ века немецкий химик Ф.Тамман и американский физик П.Бриджмен (см сноску на с ) выявили шесть разновидностей льда, различающихся давлениями и температурами (рис._.):

Рис._. Фазовая диаграммма твёрдой воды.

Римские цифры — модификации льда

Лёд I — обычный лёд, существует при давлении до 2200 атм, при дальнейшем повышении давления переходит в лёд II .

Лёд II  — объём единицы этой разновидности меньше на 18-20 %  и потому он тонет в воде. Его плотность 1,2 г/см³ (при 0 °С), неустойчив, легко переходит в лёд III.

Лёд III — тяжелее воды, его плотность больше на 5 % плотности льда I, из которого может быть получен.

Лёд IV — легче воды, существует при небольшом давлении и температуре немного ниже 0 °С, неустойчив и легко переходит в лёд I.                                                          

Лёд V - может существовать при давлении от 3,6 до 6,3 кбар¹, его плотность выше плотности льда III на 5,5%, воды - на 6 %.

Лёд VI - может быть получен непосредственно из воды при температуре 60 °С и давлении 16,5 кБар (при давлении 21 кБар температура плавления этого льда 76 °С), его плотность выше плотности льда V нa 4, воды - на 6 %.

Шесть модификаций льда образуют резко различные полимерные группы. В одну группу могут быть включены льды, которые легче жидкой воды (лёд I, IV), в другую - более тяжёлые (лёд III, V и VI). При плавлении льды первой группы сокращаются в объёме, а второй, наоборот, увеличиваются. Различия между модификациями льда обусловлены не химическими свойствами, а их молекулярным строением. По-видимому, здесь отчасти кроется причина образования в некоторых случаях так называемого донного льда (его ρ>0).

Каждой температуре соответствует вполне определённая концентрация раствора. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура не упадёт до минус 21,9 °С, а концентрация раствора при этом достигнет 224 г/л, после чего раствор затвердеет, образуется эвтектическая смесь кристаллов льда и соли, называемая к риогидратом. Из морской воды лёд образуется при минерализации 10 г/л при температуре 0,5°С; при 100 г/л - при 6,4, а при 260 г/л при -23 °С.

Лёд очень прозрачен для солнечной энергии, особенно для ультрафиолетового излучения. Снег, хотя и меньше, но тоже довольно хорошо пропускает солнечное излучение. Но даже самые тонкие (1-2 мм) слои льда совершенно не прозрачны для тепловой длинноволновой радиации и земного излучения. Эта особенность имеет большое значение для нагревания воды подо льдом. Теплопроводность довольно высокая - 53 ∙ 10^-4 кал/(см ∙ с ∙ К); сравните: теплопроводность воды - 14, воздуха - 0,57 кал/(см ∙ c ∙ К). При 0 °С насыщенный раствор содержит 259 г/л хлорида натрия NaCl.

¹Бар (от греч. báros – тяжесть) — внесистемная единица давления; 1 бар = 10⁵ Па = 0,986923 атм = 750 мм рт. ст. = 1 ат (техническая атмосфера).

Рис. 3. Гипотетические модели молекулы воды

а - электроны не сосредоточены в одной точке, а "размазываются'' по орбитали, которая соответствует не линии (орбите), а оболочке в форме электронного облака (орбитали электронов двух атомов водорода шарообразны; а орбитали шести наружных электронов представлены в форме объёмных восьмёрок, направленных по трём ординатным осям);

б - орбиты двух атомов водорода сильно вытянуты.