Zawartość próchnicy w lasach mieszanych. Jaka jest gleba w lasach mieszanych? Gleby lasów mieszanych
Tworzenie się lodu jest zawsze związane z pojawieniem się granicy faz. Praca Lk w tym przypadku poświęcona jest głównie pokonaniu międzyfazowego napięcia powierzchniowego pierwotnego jądra kryształu lodu, którego prawdopodobieństwo wystąpienia określają prawa fizyki statystycznej.
Krystalizacja wody charakteryzuje się zwykle dwoma głównymi czynnikami związanymi z jej przechłodzeniem: szybkością zarodkowania centrów krystalizacji wi oraz liniową szybkością krystalizacji o>2.
Lepkie ciecze o minimalnych wartościach W\ i Shr, nawet przy stosunkowo małej szybkości chłodzenia, można przenieść do stałego stanu amorficznego (szklistego), omijając krystalizację. Woda o niskiej lepkości z dużymi wartościami W\ i w2 dla takiego przejścia wymaga bardzo dużej szybkości chłodzenia (>4000°C/s), aby „przekroczyć” strefę temperatur maksymalnej koistalizacji.
Według Frenkla G112], nawet w całkowicie czystej wolnej cieczy, jeśli zostanie ona dostatecznie przechłodzona, w wyniku fluktuacji mogą powstać jądra kryształów o wielkości krytycznej, które w sprzyjających warunkach stają się centrami krystalizacji. Aby krystalizacja mogła się rozwinąć, konieczne jest, aby liczba utworzonych kryształów była większa niż liczba kryształów ulegających zniszczeniu. Założenie, że woda w stanie przedkrystalicznym zawiera wiele zarodków fazy stałej, potwierdza w pewnym stopniu np. anomalny wzrost prędkości dźwięku w wodzie o temperaturze około 0°C.
Praktycznie zarodkami krystalizacji wody są zawsze obecne w niej drobne zanieczyszczenia stałe, które dodatkowo zmniejszają międzyfazowe napięcie powierzchniowe i pracę krystalizacji Ak. Aby wywołać krystalizację w przechłodzonej wodzie (i parze wodnej), najskuteczniejsze są mikronasiona wykonane z lodu lub z substancji praktycznie izomorficznej z lodem, na przykład jodku srebra (Agl).
Podczas krystalizacji (i topienia) lodu na granicy faz zawsze powstaje różnica potencjałów elektrycznych w wyniku częściowej polaryzacji, a siłę toKa ustala się proporcjonalnie do szybkości przemiany fazowej. Krystalizacja wody związanej np. kapilarą wymaga wstępnego przywrócenia odpowiedniej struktury wody, w tym zerwanych przez kapilarę wiązań wodorowych.
W typowym przypadku wewnątrzwodne kryształki lodu utworzone w strefach dostatecznie przechłodzonej wody, przy symetrii ośrodka i przekazywaniu ciepła, rosną w kierunkach swoich osi optycznych. W tym przypadku wzrost kryształów następuje skokowo i najintensywniej na wierzchołkach i krawędziach, czyli tam, gdzie występuje więcej wiązań nienasyconych.
Podczas krystalizacji wody, która wymaga jej przechłodzenia, temperatura powstającej fazy – zarodka wewnątrzwodnego kryształu lodu – jest w zasadzie równa temperaturze przemiany fazowej wynoszącej 0°C. Wokół powstających jąder kryształków lodu, w wyniku uwolnienia ciepła krystalizacji, następuje skok temperatury, eliminowane jest lokalne przechłodzenie wody, a pojedyncze powstałe jądra lodu mogą się stopić. Dlatego, aby utrzymać proces tworzenia się lodu, konieczne jest ciągłe odprowadzanie ciepła krystalizacji. W temperaturze 0°C może nastąpić dynamiczna równowaga lodu i wody.
Proces krystalizacji lodu powierzchniowego zlokalizowane w granicznej warstwie wody przechłodzonej. Według Costy przechłodzenie wody podczas tworzenia się lodu na powierzchni jest funkcją liniowej szybkości krystalizacji wody na ochłodzonej powierzchni i waha się od -0,02° do -0,11° C z szybkością od 2 do 30 mm/min. W takim przypadku temperatura zwilżonej powierzchni lodu powinna być niższa niż 0°C.
Podczas krystalizacji woda zamienia się w lód – nową, trwalszą termodynamicznie fazę. Częściowo zachodzi również odwrotna przemiana substancji, ale przeważa przejście cząsteczek do fazy stałej. Przywrócenie (według Pople'a - prostowanie) wiązań wodorowych i inne zjawiska zachodzące w przypadku krystalizacji powodują zmianę kwarcowej struktury ciekłej wody na mniej gęstą strukturę lodu.
Ponieważ przy zwykłej strukturze lodu podobnej do trydymitu każda z jego cząsteczek jest powiązana z trzema cząsteczkami warstwy strukturalnej i jedną cząsteczką sąsiedniej warstwy, wówczas liczba koordynacyjna cząsteczek w lodzie wynosi cztery. Zmiany wielu właściwości fizycznych wody podczas chłodzenia i zamrażania wyraźnie odzwierciedlają przemiany w jej strukturze.
Zatem w przypadku wody chłodzącej pod ciśnieniem normalnym 0,101325 MPa od temperatury t = 4°C (277,15 K) do * = 0°C (273,15 K) jej gęstość spada z 1000 do 999,9 kg/m3, a po przeliczeniu na lód dalej maleje do 916,8 kg/m3 (рл « «917(1-0,00015 t). Według obliczeń stosunek masowy 1 mola wody i lodu wynosi 18,02: 19,66 «0,916.
Podczas krystalizacji wody, która wymaga usunięcia ciepła właściwego hl = 334 kJ/kg, pojemność cieplna zmienia się od sv = 4,23 do sv = 2,12 kJ/(kg-K), a przewodność cieplna od Rav = 0,55 do Rav53 = 2,22 W/(m·K). W porównaniu z wodą lód ma średnią stałą dielektryczną 30 razy mniejszą i przewodność elektryczną 500 lub więcej razy.
Anomalny spadek gęstości wody spowodowany jest głównie zmniejszeniem zwartości średniego układu cząsteczek. W szczególności cechy wody i lodu wyjaśnia się zmianami względnej ilości cząsteczek o czasowo ustalonym położeniu i cząsteczkami poruszającymi się, a także wpływem wiązań wodorowych, wnęk w strukturach i polimeryzacji cząsteczek.
Monokryształy lodu powstające podczas krystalizacji wody nie mają idealnej sieci krystalicznej ze względu na nieuniknione defekty strukturalne, w szczególności rodzaj dyslokacji (ścinań) spowodowanych rozrywaniem upakowania cząsteczek i naprzemiennością płaszczyzn atomowych.
Ruch termiczny powoduje ucieczkę dyslokacyjną poszczególnych mikrocząstek w szczeliny sieci krystalicznych i powstawanie w strukturze kryształu wakatów („dziur”), podobnych do wakatów występujących w cieczach, zwłaszcza w wodzie. Uważa się, że defekty dyslokacyjne są jedną z przyczyn dużej plastyczności lodu, od której zależy długoterminowa wytrzymałość lodówek. Lód zwykle krystalizuje w układzie sześciokątnym przypominającym trydymit. Jednakże w temperaturach poniżej -120°C lód parowy ma strukturę sześcienną przypominającą diament. W temperaturach poniżej -160°C i dużej szybkości chłodzenia para pod próżnią zamienia się w szklisty, prawie amorficzny lód o gęstości 1300-2470 kg/m3. Pojedyncze kryształy lodu śródwodnego i powierzchniowego powstają podczas przechłodzenia z cząsteczek wody przy minimalnej energii.
Według Altberga naturalny lód śródwodny (denny) powstaje w rzece w wyniku konwekcyjnego transportu przechłodzonej wody powierzchniowej do strumienia i późniejszej jej krystalizacji głównie na ziarnach piasku i innych ciałach stałych.
W przypadku tworzenia się lodu powierzchniowego w zbiorniku poszczególne monokryształy lodu powstające w temperaturach atmosferycznych zwykle poniżej 0°C łączą się w szczególności w poziome kryształy w kształcie igieł, które w miarę wzrostu przecinają się i tworzą siatkę. Szczeliny sieci lodowej wypełnione są monokryształami, również zjednoczonymi w krystality, które kończą końcowy etap tworzenia ciągłej skorupy lodu polikrystalicznego, głównie o chaotycznym układzie kryształów. Przy silnym nocnym promieniowaniu ciepła z powierzchni spokojnej wody, skorupa lodowa może tworzyć się nawet w dodatnich temperaturach.
Na dalszy wzrost kryształów początkowej skorupy lodowej wpływają kryształy sąsiednie. W tym przypadku, ze względu na anizotropię wzrostu, dominuje rozwój kryształów dwóch typów: a) o pionowych osiach optycznych prostopadłych do powierzchni lodu – w spokojnej wodzie o stosunkowo dużym gradiencie temperatury oraz b) o osiach poziomych równolegle do powierzchni lodu - w poruszającej się wodzie i jej przybliżonej izotermie.
Odżywione rosnące kryształy wykazują tzw. siłę krystalizacji, która odpycha przeszkody. Przy powolnej krystalizacji i dobrej cyrkulacji świeżej wody większość zanieczyszczeń wody jest wypychana i tworzy się przezroczysty lód o zielonkawo-niebieskim odcieniu. Lód powstaje głównie z regularnie zorientowanych dużych krystalitów w postaci pryzmatu o średnicy rzędu kilku milimetrów i ze stosunkowo małą ilością zanieczyszczeń. Przy szybkiej krystalizacji i słabej cyrkulacji wody lód okazuje się nieprzezroczysty, biały (lód matowy) i w tym przypadku jest ciałem o chaotycznym układzie przerostów małych kryształów, zwykle o średnicy mniejszej niż 1 mm, przeplatanych z zanieczyszczeniami stałymi, ciekłymi i gazowymi (powietrze). Podczas szybkiej krystalizacji wody ze zwiększoną ilością zanieczyszczeń, czasami lokalizują się one nie tylko pomiędzy kryształami, ale także na płaszczyznach podstawowych wewnątrz nich. Warstwy pomiędzy krystalitami zawsze zawierają znacznie więcej zanieczyszczeń niż warstwy pomiędzy monokryształami. W szczególnym przypadku lodu rzecznego warstwy międzykrystaliczne mają grubość rzędu 3 mikronów w temperaturze zamarzania -2°C do 0,3 mikrona w temperaturze około -20°C. Należy zauważyć, że wielkość kryształków lodu z wody z domieszką soli rozpuszczalnych w wodzie jest odwrotnie proporcjonalna do szybkości zamarzania i stężenia soli
Jeśli lód nie tworzy się na płaskiej powierzchni wody, ale w bardzo małych kroplach wody, występujących np. w chmurach, gdzie może nastąpić znaczne przechłodzenie wody (do -40°C i poniżej), wówczas może rozpocząć się jego krystalizacja nie z zewnątrz, ale od wewnątrz, gdzie tworzy się lód śródlądowy. Duże krople wody po hipotermii zwykle zaczynają zamarzać na zewnątrz.
Kiedy słodka woda krystalizuje, rosnący front lodowy jest prawie gładki. W tym przypadku woda zawierająca około 40 g powietrza na tonę w temperaturze O9 C (w 30°C – tylko 20 g), podczas krystalizacji, gdy front się przemieszcza, wypuszcza powietrze do przestrzeni pozakrystalicznej lub międzykrystalicznej.
Kiedy słona woda krystalizuje (rozpoczyna się w temperaturze określonej składem i stężeniem soli), narastający front lodowy jest szorstki, z występami, których wierzchołki znajdują się w strefach o najniższym stężeniu soli. Najpierw krystalizuje woda, która jest mniej związana przez uwodnienie z jonami soli. Następnie jony soli można w pewnym stopniu odwodnić, a sole wypadną z roztworu zgodnie z ich rozpuszczalnością. W takim przypadku mogą powstać krystaliczne hydraty odpowiadające temperaturze. W lodzie zawierającym domieszki rozpuszczalne w wodzie, te ostatnie zlokalizowane są głównie w komórkach kryształów, co ma znaczenie np. przy produkcji lodu solankowego.
Kiedy między innymi konstrukcjami tworzy się lód, zwykle następuje jego deformacja, szczególnie w przypadku zamarzania mokrej gleby lub wody w porowatym zeratorze. Najmniejsze odkształcenia zapewnia szybkie i równomierne twardnienie wody w mediach biologicznych za pomocą krioprotektantów (gliceryna itp.). W tym przypadku jedna część wody ulega „zeszkleniu”, a druga wiąże lub tworzy mikrokryształy, zlokalizowane głównie na zewnątrz komórek biologicznych. Specjalnym procesem jest krystalizacja lodu poprzez sublimację z pary wodnej (i odwrotne zjawisko sublimacji podczas parowania lodu).
Dla działania lodówek ważne jest zarówno odparowanie barier lodowych, jak i tworzenie się lodu sublimacyjnego w postaci „płaszcza śnieżnego”. W wystarczająco niskich temperaturach sublimowany lód tworzy się w postaci płatków śniegu, na przykład w wysokich chmurach. Krystalizacja lodu atmosferycznego w postaci śniegu rozpoczyna się na nasionach, w tym przypadku na cząstkach pyłu. Powstawanie i wzrost krystalicznych płatków śniegu, składających się ze zwykłego lub sublimowanego lodu, są powiązane z temperaturą, ciśnieniem i wilgotnością atmosfery. Na ziemię schodzą jedynie duże płatki śniegu, które skrystalizowały i osiągnęły masę krytyczną.
Należy zauważyć, że wzrost dużych płatków śniegu kosztem małych kryształów i kropel wiąże się ze zwiększonym ciśnieniem pary wodnej w przypadku małych kryształów i kropli. Elastyczność pary zależy od krzywizny i napięcia powierzchniowego kropelek wody lub kryształków lodu. Sztuczne wprowadzanie nasion lodu do chmur zostało już praktycznie zastosowane w rejonie Dniepru do naśnieżania upraw ozimych w czasie zim z niewielkimi opadami śniegu.
Topnienie lodu. Tworzenie się lodu jest poprzedzone jednym lub drugim przechłodzeniem wody, a topienie jest procesem topienia wstępnego, który praktycznie nie jest związany z przegrzaniem fazy stałej, ponieważ lód powierzchniowy pod normalnym ciśnieniem zaczyna się topić w temperaturze (GS (273,15 K. Podczas topienia, w odróżnieniu od krystalizacji, nie zostaje pokonana znacząca siła napięcia powierzchniowego wody. Dalekozasięgowy porządek ułożenia cząsteczek, charakterystyczny dla lodu, podczas topienia zmienia się na porządek krótkiego zasięgu, charakterystyczny dla woda.
Energia wewnętrzna wzrasta podczas topnienia lodu. Opierając się na cieple właściwym topnienia lodu 334 kJ/kg i cieple sublimacji 2840 kJ/kg, które charakteryzuje rozrywanie wszystkich wiązań molekularnych, można przyjąć, że stopień osłabienia wiązań molekularnych podczas topnienia wynosi 12%. Spośród nich około 9% to wiązania wodorowe, a tylko 3% to wiązania van der Waalsa.
Kiedy lód się topi, czas pozostawania cząsteczek w pozycji równowagi zmienia się radykalnie. Energia aktywacji (bariera potencjału) E maleje, ponieważ E wody jest mniejsza niż E lodu. Zawsze obecne defekty w strukturze sieci krystalicznej i zanieczyszczenia dodatkowo zmniejszają energię aktywacji. Topienie lodu rozpoczyna się zwykle od jego powierzchni, na ścianach i krawędziach kryształów, a także w miejscach zanieczyszczeń będących zarodkami topnienia. Powierzchnia topniejącego lodu jest zawsze mikrochropowata.
Najbardziej skomplikowanym procesem jest topienie lodu w innych konstrukcjach, np. w przypadku zlodzonej gleby. Rozpuszczalne w wodzie sole zawarte w lodzie pomagają mu stopić się zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz.
Należy podkreślić, że świeży roztopiony lód tymczasowo zachowuje pewne cechy fizyczne bliższe lodzie niż wodzie o temperaturze bliskiej zera. Właściwości molekularne charakterystyczne dla lodu przejściowo przenoszą się na roztopioną wodę, co najwyraźniej „przesądza o jej wzmożonej aktywności biologicznej. Procesy elektryczne podczas topienia lodu, a także szczególna aktywność lodu i świeżo roztopionej wody mogą oddziaływać np. na produkty spożywcze schładzane przez topnienie lodu.Technologicznie ważne jest również, aby topniejący lód dobrze pochłaniał wiele gazów, a co za tym idzie, zapachów.
Fizykę i chemię wody i lodu omówiono szerzej w monografiach Fritzmana, Dorseya i Fletchera, zwłaszcza proces topnienia w pracach Ubbelohde, strukturę wody i lodu w pracach Shumsky'ego, Zatsepiny, Eisenberga i Kautzmana .
Yu I. GOŁOWINTambow State University nazwany imieniem. G.R. Derzhavina
Dziennik edukacyjny Sorosa, tom 6, nr 9, 2000
Woda i lód: czy wiemy o nich wystarczająco dużo?
Yu. I. GOŁOWIN
Opisano właściwości fizyczne wody i lodu. Omówiono mechanizmy różnych zjawisk zachodzących w tych substancjach. Pomimo długiego okresu badań i prostego składu chemicznego, woda i lód – substancje niezwykle cenne dla życia na Ziemi – skrywają wiele tajemnic ze względu na ich skomplikowaną dynamiczną strukturę protonową i molekularną.Podano krótki przegląd właściwości fizycznych wody i lodu. Rozważane są mechanizmy różnych zjawisk w nich zachodzących. Wykazano, że pomimo wielowiekowej historii badań, najprostszego składu chemicznego i wyjątkowego znaczenia dla życia na Ziemi, natura wody i lodu jest obarczona wieloma tajemnicami ze względu na złożoną dynamiczną strukturę protonową i molekularną.
Chociaż ludzie bardziej potrzebują prostoty,
Mimo to kompleks jest dla nich wyraźniejszy.
B.L. Pasternak
Być może nie ma na Ziemi bardziej rozpowszechnionej i zarazem tajemniczej substancji niż woda w fazie ciekłej i stałej. Rzeczywiście wystarczy pamiętać, że wszystkie istoty żywe pochodzą z wody i składają się z niej w ponad 50%, że 71% powierzchni Ziemi pokrywa woda i lód, a znaczną część północnych obszarów lądowych zajmuje wieczna zmarzlina. Aby zobrazować całkowitą ilość lodu na naszej planecie, zauważamy, że jeśli się stopi, poziom wody w Oceanie Światowym podniesie się o ponad 50 m, co doprowadzi do zalania gigantycznych obszarów lądowych na całym świecie. We Wszechświecie, w tym w Układzie Słonecznym, odkryto ogromne masy lodu. Nie ma ani jednej mniej lub bardziej znaczącej produkcji lub działalności człowieka, w której nie wykorzystuje się wody. W ostatnich dziesięcioleciach odkryto duże zasoby paliwa w postaci stałych, przypominających lód hydratów naturalnych węglowodorów.
Jednocześnie po licznych sukcesach w fizyce i chemii fizycznej wody w ostatnich latach trudno argumentować, że właściwości tej prostej substancji są w pełni zrozumiałe i przewidywalne. W artykule dokonano krótkiego przeglądu najważniejszych właściwości fizycznych wody i lodu oraz nierozwiązanych problemów związanych głównie z fizyką ich stanów niskotemperaturowych.
To skomplikowana cząsteczka
Podstawy współczesnego rozumienia chemii fizycznej wody położyli około 200 lat temu Henry Cavendish i Antoine Lavoisier, którzy odkryli, że woda nie jest prostym pierwiastkiem chemicznym, jak sądzili średniowieczni alchemicy, ale związkiem tlenu i wodoru w organizmie. pewien stosunek. W rzeczywistości wodór (wodór) - który rodzi wodę - otrzymał swoją nazwę dopiero po tym odkryciu, a woda uzyskała nowoczesne oznaczenie chemiczne, znane obecnie każdemu uczniowi - H 2 O.
Zatem cząsteczka H 2 O zbudowana jest z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Jak wynika z badań widm optycznych wody, w hipotetycznym stanie całkowitego braku ruchu (bez oscylacji i rotacji) jony wodoru i tlenu powinny zajmować pozycje w wierzchołkach trójkąta równoramiennego z kątem przy wierzchołku zajmowanym przez tlen wynoszący 104,5° (ryc. 1, a). W stanie niewzbudnym odległości pomiędzy jonami H + i O 2− wynoszą 0,96 Å. Dzięki tej strukturze cząsteczka wody jest dipolem, ponieważ gęstość elektronów w obszarze, w którym znajduje się jon O 2−, jest znacznie wyższa niż w obszarze jonów H +, a najprostszy model - model kul - słabo nadaje się do opisu właściwości wody. Można sobie wyobrazić cząsteczkę wody w postaci kuli z dwoma małymi obrzękami w obszarze, w którym znajdują się protony (ryc. 1, b). Nie pomaga to jednak w zrozumieniu innej cechy wody – zdolności do tworzenia ukierunkowanych wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami, które odgrywają ogromną rolę w tworzeniu jej luźnej, ale jednocześnie bardzo stabilnej struktury przestrzennej, która determinuje większość właściwości fizyczne zarówno w stanie ciekłym, jak i stałym.
Ryż. 1. Diagram geometryczny (a), płaski model (b) i przestrzenna struktura elektronowa (c) monomeru H 2 O. Dwa z czterech elektronów w zewnętrznej powłoce atomu tlenu biorą udział w tworzeniu wiązań kowalencyjnych z atomami wodoru, a pozostałe dwa tworzą bardzo wydłużone orbity elektronów, których płaszczyzna jest prostopadła do płaszczyzny H – O – H
Przypomnijmy, że wiązanie wodorowe to wiązanie pomiędzy atomami w jednej cząsteczce lub sąsiednimi cząsteczkami, które zachodzi poprzez atom wodoru. Zajmuje pozycję pośrednią między wiązaniem kowalencyjnym i niewartościowym i powstaje, gdy atom wodoru znajduje się pomiędzy dwoma atomami elektroujemnymi (O, N, F itp.). Elektron w atomie H jest stosunkowo słabo związany z protonem, więc maksymalna gęstość elektronów przesuwa się do atomu bardziej elektroujemnego, a proton zostaje odsłonięty i zaczyna oddziaływać z innym atomem elektroujemnym. W tym przypadku atomy O⋅⋅⋅O, N⋅⋅⋅O itp. zbliżają się do siebie. na odległość bliską tej, jaka powstałaby między nimi w przypadku braku atomu H. Wiązania wodorowe determinują nie tylko strukturę wody, ale także odgrywają niezwykle ważną rolę w życiu biomolekuł: białek, węglowodanów, kwasów nukleinowych itp. .
Oczywiście, aby wyjaśnić naturę wody, należy wziąć pod uwagę strukturę elektronową jej cząsteczek. Jak wiadomo, atom tlenu ma cztery elektrony na swojej górnej powłoce, podczas gdy wodór ma tylko jeden elektron. W tworzeniu każdego kowalencyjnego wiązania O – H bierze udział jeden elektron z atomów tlenu i wodoru. Dwa elektrony pozostałe w tlenie nazywane są samotną parą, ponieważ w izolowanej cząsteczce wody pozostają wolne, nie uczestnicząc w tworzeniu wiązań wewnątrz cząsteczki H 2 O. Ale zbliżając się do innych cząsteczek, to te samotne elektrony odgrywają rolę decydującą rolę w tworzeniu struktury molekularnej wody.
Pojedyncze elektrony są odpychane przez wiązania O–H, zatem ich orbity są silnie wydłużone w kierunku przeciwnym do atomów wodoru, a płaszczyzny orbit są obracane względem płaszczyzny utworzonej przez wiązania O–H–O. Dlatego bardziej poprawne byłoby przedstawienie cząsteczki wody w trójwymiarowej przestrzeni współrzędnych xyz w postaci czworościanu, w środku którego znajduje się atom tlenu, a na dwóch wierzchołkach atom wodoru (ryc. 1, c). Struktura elektronowa cząsteczek H 2 O określa warunki ich asocjacji w złożoną trójwymiarową sieć wiązań wodorowych zarówno w wodzie, jak i lodzie. Każdy z protonów może utworzyć wiązanie z samotnym elektronem innej cząsteczki. Pierwsza cząsteczka pełni rolę akceptora, a druga pełni rolę donora, tworząc wiązanie wodorowe. Ponieważ każda cząsteczka H2O ma dwa protony i dwa wolne elektrony, może jednocześnie tworzyć cztery wiązania wodorowe z innymi cząsteczkami. Woda jest więc złożoną cieczą o dynamicznym charakterze połączeń, a opis jej właściwości na poziomie molekularnym możliwy jest jedynie przy pomocy modeli mechaniki kwantowej o różnym stopniu złożoności i rygorystyczności.
Lód i jego właściwości
Z punktu widzenia przeciętnego człowieka lód jest mniej więcej taki sam, niezależnie od tego, gdzie się tworzy: w atmosferze w postaci gradu, na krawędziach dachów w postaci sopli lub w zbiornikach wodnych w postaci płyt. Z fizycznego punktu widzenia istnieje wiele odmian lodu, różniących się budową molekularną i mezoskopową. W lodzie istniejącym pod normalnym ciśnieniem każda cząsteczka H 2 O jest otoczona czterema innymi, czyli liczba koordynacyjna struktury wynosi cztery (tzw. lód I h). Odpowiednia sieć krystaliczna – sześciokątna – nie jest gęsto upakowane, dlatego gęstość zwykłego lodu (∼0,9 g/cm 3) jest mniejsza od gęstości wody (∼1 g/cm 3), której budowa, jak wynika z Badania dyfrakcji rentgenowskiej pokazują, że średnia liczba koordynacyjna wynosi ~ 4,4 (w porównaniu z 4 dla lodu Ih). Tylko atomy tlenu zajmują stałe pozycje w strukturze lodu. Dwa atomy wodoru mogą zajmować różne pozycje w czterech wiązaniach cząsteczki H2O z innymi sąsiadami. Ze względu na heksagonalność sieci kryształy rosnące w stanie wolnym (na przykład płatki śniegu) mają kształt sześciokątny.
Jednak faza sześciokątna nie jest jedyną formą istnienia lodu. Dokładna liczba innych faz krystalicznych – polimorficznych form lodu – jest nadal nieznana. Powstają pod wpływem wysokich ciśnień i niskich temperatur (ryc. 2). Niektórzy badacze uważają obecność 12 takich faz za precyzyjnie ustaloną, inni zaś liczą je aż do 14. Oczywiście nie jest to jedyna substancja posiadająca polimorfizm (pamiętajmy np. grafit i diament, składające się z chemicznie identycznych atomów węgla ), ale liczba różnych faz lodu, które odkrywa się do dziś, jest zdumiewająca. Wszystko to związane jest z uporządkowanym ułożeniem jonów tlenu w sieci krystalicznej lodu. Jeśli chodzi o protony – jony wodoru – jak wykazała dyfrakcja neutronów, w ich rozmieszczeniu występuje silne zaburzenie. Zatem lód krystaliczny jest zarówno ośrodkiem dobrze uporządkowanym (pod względem tlenu), jak i jednocześnie ośrodkiem nieuporządkowanym (pod względem wodoru).
![](https://i1.wp.com/o8ode.ru/file/0001/250/3857.png)
Ryż. 2. Diagram fazowy krystalicznego lodu.
Cyfry rzymskie wskazują obszary istnienia
tworzenie stabilnych faz. Ice IV jest metastabilną substancją
dla, znajdującego się na schemacie wewnątrz obszaru V
Często wydaje się, że lód jest plastyczny i płynny. Dzieje się tak, jeśli temperatura jest bliska temperatury topnienia (tj. t = 0°C przy ciśnieniu atmosferycznym), a obciążenie przykładane jest przez długi czas. Podobnie zachowuje się najtwardszy materiał (np. metal) w temperaturach bliskich temperatury topnienia. Odkształcenie plastyczne lodu, a także wielu innych ciał krystalicznych, następuje w wyniku zarodkowania i przemieszczania się przez kryształ różnych niedoskonałości strukturalnych: wakatów, atomów śródmiąższowych, granic ziaren i, co najważniejsze, dyslokacji. Jak ustalono już w latach 30. naszego stulecia, to właśnie obecność tego ostatniego przesądza o gwałtownym spadku odporności ciał krystalicznych na odkształcenia plastyczne (o 10 2 –10 4 razy w stosunku do oporu sieci idealnej). Do chwili obecnej w lodzie Ih odkryto wszystkie rodzaje dyslokacji charakterystycznych dla struktury heksagonalnej oraz zbadano ich właściwości mikromechaniczne i elektryczne.
Wpływ szybkości odkształcania na właściwości mechaniczne lodu monokrystalicznego dobrze ilustruje ryc. 3, zaczerpnięte z książki N. Maeno. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem szybkości odkształcania naprężenia mechaniczne σ wymagane do płynięcia plastycznego szybko rosną i pojawia się gigantyczny ząb plastyczny w zależności od odkształcenia względnego E od σ.
![](https://i1.wp.com/o8ode.ru/file/0001/250/3858.png)
Ryż. 3.(Przez ). Krzywe odkształcenia względnego naprężenia dla monokryształu lodu I h w t = −15°С (przesuwanie się wzdłuż płaszczyzny podstawowej zorientowanej pod kątem 45° do osi ściskania). Liczby na krzywych wskazują względną szybkość odkształcenia ( ∆l– zmiana długości próbki l podczas ∆τ
) w jednostkach 10 −7 s −1
![](https://i2.wp.com/o8ode.ru/file/0001/250/3859.png)
Ryż. 4. Schemat powstawania defektów w podukładzie protonowym lodu: a – para defektów jonowych H 3 O + i OH –; b – para orientacyjnych defektów Bjerrum’a D i L
Właściwości elektryczne lodu są nie mniej niezwykłe. Wielkość przewodności i jej wykładniczy szybki wzrost wraz ze wzrostem temperatury ostro odróżniają lód od przewodników metalowych i stawiają go na równi z półprzewodnikami. Lód jest zwykle bardzo czysty chemicznie, nawet jeśli wyrasta z brudnej wody lub roztworu (pomyśl o czystych, przezroczystych kawałkach lodu w brudnej kałuży). Wynika to z małej rozpuszczalności zanieczyszczeń w strukturze lodu. Dzięki temu podczas zamrażania zanieczyszczenia są wypychane na froncie krystalizacji do cieczy i nie przedostają się do struktury lodu. Dlatego świeżo spadły śnieg jest zawsze biały, a woda z niego wyjątkowo czysta.
Natura mądrze stworzyła gigantyczną stację oczyszczania wody w całej ziemskiej atmosferze. Dlatego nie można liczyć na dużą przewodność zanieczyszczeń (jak np. w domieszkowanym krzemie) w lodzie. Ale nie ma w nim wolnych elektronów, jak w metalach. Dopiero w latach 50. XX wieku ustalono, że nośnikami ładunku w lodzie są protony nieuporządkowane, czyli lód jest półprzewodnikiem protonowym.
Wspomniane skakanie protonów powoduje powstawanie dwóch rodzajów defektów w strukturze lodu: jonowych i orientacyjnych (rys. 4). W pierwszym przypadku następuje skok protonów wzdłuż wiązania wodorowego z jednej cząsteczki H 2 O na drugą (ryc. 4, a), w wyniku czego powstaje para defektów jonowych H 3 O + i OH - oraz w drugi - do sąsiedniego wiązania wodorowego w jednej cząsteczce H 2 O (ryc. 4, b), w wyniku czego powstaje para orientacyjnych defektów Bjerrum, zwanych defektami L i D (z niemieckiego leer - pusty i doppelt - podwójny ). Formalnie taki skok można uznać za obrót cząsteczki H 2 O o 120°.
Przepływ prądu stałego w wyniku ruchu tylko defektów jonowych lub tylko defektów orientacyjnych jest niemożliwy. Jeśli na przykład jon H 3 O + przejdzie przez jakąś część siatki, to następny podobny jon nie będzie mógł przejść tą samą ścieżką. Jeśli jednak tą drogą przejdzie defekt D, układ protonów powróci do pierwotnego, a zatem następny jon H 3 O + będzie mógł przejść. Podobnie zachowują się defekty OH - i L. Dlatego przewodność elektryczna chemicznie czystego lodu jest ograniczona przez te defekty, których jest mniej, czyli jonowe. Przeciwnie, polaryzacja dielektryczna jest spowodowana liczniejszymi orientacyjnymi defektami Bjerruma. W rzeczywistości, gdy przyłożone zostanie zewnętrzne pole elektryczne, oba procesy zachodzą równolegle, dzięki czemu lód może przewodzić prąd stały i jednocześnie ulegać silnej polaryzacji dielektrycznej, to znaczy wykazywać zarówno właściwości półprzewodnika, jak i właściwości izolator. W ostatnich latach kontynuowano próby odkrycia właściwości ferroelektrycznych i piezoelektrycznych czystego lodu w niskich temperaturach, zarówno w masie, jak i na granicach międzyfazowych. Nie ma jeszcze całkowitej pewności co do ich istnienia, chociaż odkryto kilka efektów pseudopiezoelektrycznych związanych z obecnością dyslokacji i innych defektów strukturalnych.
Fizyka powierzchni i krystalizacja lodu
W związku z rozwojem technologii półprzewodników, mikrominiaturyzacją podstawy pierwiastków i przejściem na technologie planarne, w ostatniej dekadzie znacznie wzrosło zainteresowanie fizyką powierzchni. Opracowano wiele wyrafinowanych technik badania stanów przypowierzchniowych w ciałach stałych, które okazały się przydatne w badaniu metali, półprzewodników i dielektryków. Jednakże struktura i właściwości powierzchni lodu sąsiadującej z parą lub cieczą pozostają w dużej mierze niejasne. Jedną z najbardziej intrygujących hipotez, wysuniętą przez M. Faradaya, jest istnienie na powierzchni lodu quasi-ciekłej warstwy o grubości od kilkudziesięciu do setek angstremów, nawet w temperaturze znacznie poniżej temperatury topnienia. Podstawą tego są nie tylko spekulatywne konstrukcje i teorie struktury przypowierzchniowych warstw silnie spolaryzowanych cząsteczek H 2 O, ale także subtelne wyznaczanie (za pomocą jądrowego rezonansu magnetycznego) stanu fazowego powierzchni lodu, a także jego przewodność powierzchniowa i jej zależność od temperatury. Jednak w większości praktycznych przypadków właściwości powierzchni śniegu i lodu są najprawdopodobniej określone przez obecność makroskopowej warstwy wody, a nie warstwy quasi-ciekłej.
Topnienie wierzchnich warstw lodu pod wpływem światła słonecznego, cieplejszej atmosfery lub ślizgania się po niej ciała stałego (łyżwy, narty, saneczki) ma kluczowe znaczenie dla uzyskania niskiego współczynnika tarcia. Niskie tarcie ślizgowe nie jest wynikiem spadku temperatury topnienia pod wpływem zwiększonego ciśnienia, jak się często uważa, ale konsekwencją wydzielania się ciepła tarcia. Z obliczeń wynika, że działanie ciśnienia, nawet w przypadku ślizgania się po lodzie ostro naostrzonej łyżwy, pod wpływem której powstaje ciśnienie około 1 MPa, prowadzi do obniżenia temperatury topnienia zaledwie o ~0,1°C, co nie może mieć znaczący wpływ na wielkość tarcia.
Ugruntowaną tradycją opisu właściwości wody i lodu jest stwierdzenie i omówienie wielu anomalnych właściwości, które wyróżniają tę substancję spośród jej homologów (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te). Być może najważniejszą rzeczą jest bardzo wysokie (wśród substancji prostych) ciepło właściwe topnienia (krystalizacji) i pojemność cieplna, czyli lód trudno się topi, a wodę trudno zamrozić. W rezultacie klimat na naszej planecie jest generalnie dość łagodny, jednak przy braku wody (na przykład na pustyniach gorącej Afryki) kontrast między temperaturami dnia i nocy jest znacznie większy niż na wybrzeżu oceanu przy tym samym szerokość. Istotna dla biosfery jest właściwość zwiększania objętości podczas krystalizacji, a nie zmniejszania się, jak ma to miejsce w przypadku zdecydowanej większości znanych substancji. W rezultacie lód zamiast tonąć, unosi się w wodzie i znacznie spowalnia zamarzanie zbiorników wodnych podczas zimnej pogody, chroniąc wszystkie żyjące istoty, które chronią się w nim na zimę. Sprzyja temu również niemonotoniczna zmiana gęstości wody, gdy temperatura spada do 0°C – jedna z najbardziej znanych anomalnych właściwości wody, odkryta ponad 300 lat temu. Maksymalna gęstość osiągana jest przy t = 4°C, co zapobiega opadaniu na dno przypowierzchniowych warstw wody, które schłodziły się do temperatury poniżej 4°C. Konwekcyjne mieszanie cieczy zostaje zablokowane, co znacznie spowalnia dalsze chłodzenie. Inne anomalie wody są znane od dawna: lepkość przy ścinaniu w temperaturze 20°C, ciepło właściwe w temperaturze 40°C, ściśliwość izotermiczna w temperaturze 46°C, prędkość dźwięku w temperaturze 60°C. Lepkość wody maleje wraz ze wzrostem ciśnienia i nie wzrasta, jak w przypadku innych cieczy. Oczywiste jest, że anomalne właściwości wody wynikają z cech strukturalnych jej cząsteczki i specyfiki interakcji międzycząsteczkowych. Całkowita jasność co do tego ostatniego nie została jeszcze osiągnięta. Opisane powyżej właściwości dotyczą wody, lodu i granicy między nimi, występujących w warunkach równowagi termodynamicznej. Problemy o zupełnie innym stopniu złożoności pojawiają się przy próbie opisu dynamiki przejścia fazowego woda–lód, szczególnie w warunkach odległych od równowagi termodynamicznej.
Termodynamiczną przyczyną każdego przejścia fazowego jest różnica potencjałów chemicznych cząstek po jednej i drugiej stronie granicy faz ∆µ = µ 1 −µ 2. Potencjał chemiczny µ to funkcja stanu określająca zmiany potencjałów termodynamicznych przy zmianie liczby N cząstek w układzie, czyli µ = G/N, gdzie G = H – TS to potencjał termodynamiczny Gibbsa, H to entalpia, S to entropia, T to temperatura. Różnica potencjałów termodynamicznych jest siłą napędową procesu makroskopowego (tak jak różnica potencjałów elektrycznych na końcach przewodnika jest przyczyną prądu elektrycznego). Przy µ1 = µ2 obie fazy mogą współistnieć w równowadze tak długo, jak jest to pożądane. Przy normalnym ciśnieniu potencjał chemiczny wody jest równy potencjałowi chemicznemu lodu w temperaturze t = 0°C. O godz< 0°С более низким химическим потенциалом обладает лед, но это еще не означает, что при любом, самом маленьком переохлаждении начнется кристаллизация. Опыт показывает, что тщательно очищенный от примесей, обезгаженный, деионизированный расплав может быть переохлажден относительно точки равновесия фаз на десятки кельвин (а для некоторых веществ и на сотни). Анализ показывает, что причина заключается в отсутствии зародышей новой фазы (центров кристаллизации, конденсации, парообразования и т.д.).
Zarodki mogą powstawać także w sposób jednorodny, czyli z samego środowiska, które jest w stanie metastabilnym, jednak w tym celu muszą zostać spełnione pewne warunki. Zacznijmy od rozważenia sytuacji, biorąc pod uwagę fakt, że jakakolwiek granica między kryształem a stopionym materiałem (lub parą, roztworem) wprowadza dodatkową energię Sα, gdzie S jest obszarem granicznym, α jest energią powierzchniową. Ponadto cząsteczki N, które utworzyły kryształ zaszczepiający, mają energię niższą niż w cieczy o N∆µ. W rezultacie całkowita zmiana energii w układzie po pojawieniu się jądra ∆U = −N∆µ + Sα okaże się niemonotonicznie zależna od N. Rzeczywiście, dla kulistego kształtu jądra
gdzie A = (36πV 2) 1/3 V to objętość przypadająca na jedną cząsteczkę w krysztale. Z poprzedniego wynika, że ∆U osiąga maksimum ∆Uc = - N c ∆µ + AN c 2/3 α, gdy jądro zawiera N c = (2Aα/3∆µ) 3 cząsteczki.
Zatem przy sekwencyjnym dodawaniu cząsteczek do jądra układ musi najpierw wspiąć się na szczyt potencjalnego wzgórza o wysokości ∆U c, w zależności od przechłodzenia, po czym nastąpi dalszy wzrost N w krysztale wraz ze spadkiem energii, czyli łatwiej. Wydawać by się mogło, że im niższa temperatura cieczy, czyli im silniejsze przechłodzenie, tym szybciej powinna nastąpić krystalizacja. Dzieje się tak w przypadku, gdy hipotermia nie jest zbyt duża. Jednakże wraz ze spadkiem t lepkość cieczy również wzrasta wykładniczo, co utrudnia poruszanie się cząsteczek. W rezultacie przy wysokich stopniach przechłodzenia proces krystalizacji może trwać wiele lat (jak ma to miejsce w przypadku szkieł różnego pochodzenia).
Z szacunków numerycznych wynika, że dla wody o normalnym stopniu przechłodzenia w warunkach naturalnych (∆t = 1–10°C) zarodek powinien składać się z kilkudziesięciu cząsteczek, czyli znacznie więcej niż liczba koordynacyjna w fazie ciekłej (∼4,4 ). Zatem system wymaga dużej liczby prób fluktuacji, aby wspiąć się na szczyt wzgórza energetycznego. W niezbyt dokładnie oczyszczonej wodzie silnemu przechłodzeniu zapobiega obecność już istniejących ośrodków krystalizacji, którymi mogą być cząstki zanieczyszczeń, cząsteczki kurzu, nierówności ścian naczynia itp. Następnie kinetyka wzrostu kryształów zależy od warunków wymiany ciepła w pobliżu granicy międzyfazowej, a także na morfologię tej ostatniej na poziomie atomowym i molekularnym.
Silnie przechłodzona woda ma dwie charakterystyczne temperatury t h = -36°C i t g = -140°C. Dobrze oczyszczona i odgazowana woda w zakresie temperatur 0°С > t > t h może przez długi czas pozostawać w stanie przechłodzonej cieczy. O godz< t < t h происходит гомогенное зарождение кристалликов льда, и вода не может находиться в переохлажденном состоянии при любой степени очистки. В условиях достаточно быстрого охлаждения при t < tg подвижность молекул воды настолько падает (а вязкость растет), что она образует стеклообразное твердое тело с аморфной структурой, свойственной жидкостям. При этом в области невысоких давлений образуется аморфная фаза низкой плотности, а в области повышенных – аморфная фаза высокой плотности, то есть вода демонстрирует полиаморфизм. При изменениях давления или температуры одна аморфная фаза скачком переходит в другую с неожиданно большим изменением плотности (>20%).
Istnieje kilka punktów widzenia na temat natury poliamorfizmu wody. Zatem, zgodnie z , takie zachowanie silnie przechłodzonej wody można wyjaśnić, jeśli przyjmiemy, że w potencjalnym profilu oddziaływania dwóch cząsteczek H2O występuje więcej niż jedno minimum,
Ryż. 5(Przez ). Hipotetyczne profile potencjałów: a – z jednym minimum energii (np. potencjał Lennarda-Jonesa U(r) = A/r 6 − B/r 12) oraz b – z dwoma minimami energii, które odpowiadają dwóm stabilnym konfiguracjom skupisko dwóch oddziałujących ze sobą cząsteczek wody (1 i 2) o różnych odległościach między warunkowymi centrami cząsteczek rH i rL; pierwsza z nich odpowiada fazie o większej gęstości, druga – o mniejszej
i dwa (ryc. 5). Wtedy faza amorficzna o dużej gęstości będzie odpowiadała średniej odległości rH, a faza o małej gęstości – rL. Modelowanie komputerowe potwierdza ten punkt widzenia, ale nie ma jeszcze wiarygodnych dowodów eksperymentalnych na tę hipotezę, ani nie istnieje rygorystyczna teoria potwierdzająca zasadność wykorzystania potencjału podwójnego odwiertu do opisu tak niezwykłych właściwości przechłodzonej wody.
Zachowanie przechłodzonej wody jest bardzo interesujące z różnych powodów. W szczególności określa warunki klimatyczne, możliwość i sposób żeglugi na dużych szerokościach geograficznych, co jest istotne dla naszego kraju. Podczas procesu dynamicznej krystalizacji na granicy faz zachodzi wiele ciekawych i wciąż słabo poznanych zjawisk, np. redystrybucja zanieczyszczeń, separacja i późniejsza relaksacja ładunków elektrycznych, czemu towarzyszy promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim paśmie częstotliwości itp. Wreszcie krystalizacja w silnie przechłodzona ciecz jest doskonałą, łatwo powtarzalną, wielokrotnie modelową sytuacją zachowania się układu dalekiego od równowagi termodynamicznej i zdolnego w wyniku rozwoju niestabilności do tworzenia dendrytów różnych rzędów i wymiarów ( typowymi przedstawicielami są płatki śniegu i wzory lodu na oknach), wygodne do tworzenia i modelowania zachowania fraktali.
Na pierwszy rzut oka procesy topnienia lodu wydają się łatwiejsze do analizy niż procesy krystalizacji. Jednak pozostawiają też wiele pytań. Na przykład powszechnie uważa się, że woda roztopowa od pewnego czasu ma właściwości odmienne od właściwości zwykłej wody, przynajmniej w odniesieniu do obiektów biologicznych: roślin, zwierząt, ludzi. Prawdopodobnie cechy te mogą wynikać z dużej czystości chemicznej (ze względu na odnotowany niski współczynnik wychwytywania zanieczyszczeń podczas krystalizacji lodu), różnic w zawartości rozpuszczonych gazów i jonów, a także magazynowania struktury lodu w wielocząsteczkowych klastrach cieczy faza. Autor nie posiada jednak wiarygodnych informacji na ten temat uzyskanych nowoczesnymi metodami fizycznymi.
Nie mniej trudna jest analiza mechanizmów wpływu zewnętrznych pól fizycznych, w szczególności pól magnetycznych, na procesy i właściwości wody, lodu oraz przejścia fazowe. Całe nasze życie toczy się w warunkach ciągłego działania ziemskiego pola magnetycznego i jego słabych wahań. Magnetobiologia i metody leczenia magnetycznego w medycynie rozwijają się od wielu stuleci. Wreszcie jednostki są produkowane masowo i szeroko stosowane do magnesowania wody używanej do nawadniania w rolnictwie (w celu zwiększenia wydajności), zasilania kotłów parowych (w celu zmniejszenia szybkości tworzenia się w nich kamienia) itp. Jednak nadal nie ma zadowalającego opisu fizycznego mechanizmów działania pola magnetycznego w tych i innych podobnych przypadkach.
Wniosek
Woda, lód i ich wzajemne przemiany fazowe wciąż skrywają wiele tajemnic. Ich rozwiązanie jest nie tylko bardzo ciekawym problemem fizycznym, ale jest także niezwykle ważne dla życia na Ziemi, gdyż jest bezpośrednio związane ze zdrowiem i dobrostanem człowieka. Być może stanowią jeden z najbardziej uderzających przykładów roli struktury elektronowej i molekularnej w kształtowaniu właściwości fizycznych najprostszego i dobrze znanego składu chemicznego substancji.
Literatura:
1. Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P. Lód. L.: Gidrometeoizdat, 1980. 384 s.
2. Maeno N. Nauka o lodzie. M.: Mir, 1988. 231 s.
3. Hobbs P.V. Fizyka lodu. Oksford: Uniw. Prasa, 1974. 864 s.
4. Zatsepina G.N. Właściwości fizyczne i struktura wody. M.: Wydawnictwo Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, 1998. 184 s.
5. Mishima O., Stanley E. Związek między wodą płynną, przechłodzoną i szklistą // Natura. 1998. Cz. 396. s. 329–335.
6. Zolotukhin I.V. Fraktale w fizyce ciała stałego // Soros Educational Journal. 1998. nr 7, s. 108–113. Recenzent artykułu B.A. Strukow
Jurij Iwanowicz Gołowin, doktor nauk fizycznych i matematycznych, profesor, kierownik. Katedra Fizyki Teoretycznej i Doświadczalnej, Uniwersytet Państwowy w Tambowie. G.R. Derzhavin, Zasłużony Naukowiec Federacji Rosyjskiej. Obszarem zainteresowań naukowych jest struktura elektronowa defektów ciał stałych i powodowane przez nie właściwości makroskopowe. Autor i współautor ponad 200 prac naukowych, w tym monografii i 40 wynalazków.
Badanie trójwymiarowego stanu ciekłej wody jest trudne, ale wiele się nauczyliśmy, analizując strukturę kryształków lodu. Cztery sąsiednie atomy tlenu związane wiązaniami wodorowymi zajmują wierzchołki czworościanu (tetra = cztery, hedron = płaszczyzna). Średnią energię potrzebną do rozerwania takiego wiązania w lodzie szacuje się na 23 kJ/mol -1.
Zdolność cząsteczek wody do tworzenia określonej liczby łańcuchów wodorowych, a także określona wytrzymałość, powodują niezwykle wysoką temperaturę topnienia. Kiedy się topi, jest zatrzymywany przez ciekłą wodę, której struktura jest nieregularna. Większość wiązań wodorowych jest zniekształcona. Zniszczenie sieci krystalicznej lodu związanej z wodorem wymaga dużej ilości energii w postaci ciepła.
Cechy wyglądu lodu (Ih)
Wiele zwykłych ludzi zastanawia się, jaki rodzaj lodu ma sieć krystaliczną. Należy zauważyć, że gęstość większości substancji wzrasta po zamrożeniu, kiedy ruchy molekularne zwalniają i tworzą się gęsto upakowane kryształy. Gęstość wody również wzrasta, gdy ochładza się ona do maksimum w temperaturze 4°C (277 K). Następnie, gdy temperatura spadnie poniżej tej wartości, rozszerza się.
Wzrost ten wynika z powstania otwartego kryształu lodu z wiązaniami wodorowymi, o siatce i mniejszej gęstości, w którym każda cząsteczka wody jest ściśle związana z powyższym pierwiastkiem i czterema innymi wartościami, a mimo to porusza się wystarczająco szybko, aby mieć większą masę. Gdy to nastąpi, ciecz zamarza od góry do dołu. Ma to ważne konsekwencje biologiczne, ponieważ warstwa lodu na stawie izoluje żywe istoty od ekstremalnego zimna. Ponadto z właściwościami wodoru związane są dwie dodatkowe właściwości wody: ciepło właściwe i parowanie.
Szczegółowy opis konstrukcji
Pierwszym kryterium jest ilość potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama substancji o 1°C. Podnoszenie poziomu wody wymaga stosunkowo dużej części ciepła, ponieważ każda cząsteczka jest zaangażowana w liczne wiązania wodorowe, które muszą zostać przerwane, aby energia kinetyczna wzrosła. Nawiasem mówiąc, obfitość H 2 O w komórkach i tkankach wszystkich dużych organizmów wielokomórkowych powoduje, że wahania temperatury wewnątrz komórek są zminimalizowane. Ta cecha jest krytyczna, ponieważ większość reakcji biochemicznych jest wrażliwa na szybkość reakcji.
Również znacznie wyższa niż w przypadku wielu innych płynów. Przekształcenie tego ciała stałego w gaz wymaga dużej ilości ciepła, ponieważ wiązania wodorowe muszą zostać rozerwane, aby cząsteczki wody mogły oddzielić się od siebie i wejść do wspomnianej fazy. Ciała zmienne są trwałymi dipolami i mogą oddziaływać z innymi podobnymi związkami oraz tymi, które są zjonizowane i rozpuszczone.
Inne wymienione powyżej substancje mogą mieć kontakt wyłącznie w przypadku wystąpienia polaryzacji. To właśnie ten związek bierze udział w budowie tych pierwiastków. Ponadto może ustawić się wokół tych cząstek utworzonych z elektrolitów, tak że ujemne atomy tlenu w cząsteczkach wody są zorientowane w stronę kationów, a jony dodatnie i atomy wodoru są zorientowane w stronę anionów.
Z reguły powstają molekularne sieci krystaliczne i atomowe. Oznacza to, że jeśli jod jest skonstruowany w taki sposób, że jest w nim obecny I 2, to w stałym dwutlenku węgla, czyli w suchym lodzie, w węzłach sieci krystalicznej znajdują się cząsteczki CO 2. Podczas interakcji z takimi substancjami lód ma jonową sieć krystaliczną. Na przykład grafit, posiadający budowę atomową opartą na węglu, nie jest w stanie go zmienić, podobnie jak diament.
Co się dzieje, gdy kryształ soli kuchennej rozpuszcza się w wodzie: cząsteczki polarne przyciągają się do naładowanych pierwiastków w krysztale, co prowadzi do powstania na jego powierzchni podobnych cząstek sodu i chlorku, w efekcie ciała te przemieszczają się od siebie, i zaczyna się rozpuszczać. Na tej podstawie możemy zaobserwować, że lód ma sieć krystaliczną z wiązaniami jonowymi. Każdy rozpuszczony Na+ przyciąga ujemne końce kilku cząsteczek wody, podczas gdy każdy rozpuszczony Cl - przyciąga dodatnie końce. Powłoka otaczająca każdy jon nazywana jest kulą ucieczki i zwykle zawiera kilka warstw cząstek rozpuszczalnika.
Mówi się, że zmienne lub jony otoczone pierwiastkami są siarczanowane. Kiedy woda jest rozpuszczalnikiem, takie cząstki ulegają uwodnieniu. Zatem każda cząsteczka polarna ma tendencję do solwatacji przez elementy ciała ciekłego. W suchym lodzie rodzaj sieci krystalicznej tworzy wiązania atomowe w stanie skupienia, które pozostają niezmienione. Krystaliczny lód (zamarznięta woda) to inna sprawa. Jonowe związki organiczne, takie jak karboksylazy i protonowane aminy, muszą mieć rozpuszczalność w grupach hydroksylowych i karbonylowych. Cząsteczki zawarte w takich strukturach przemieszczają się pomiędzy cząsteczkami, a ich układy polarne tworzą z tym ciałem wiązania wodorowe.
Oczywiście liczba tych ostatnich grup w cząsteczce wpływa na jej rozpuszczalność, która zależy również od reakcji różnych struktur w elemencie: na przykład alkohole jedno-, dwu- i trójwęglowe mieszają się z wodą, ale większe węglowodory zawierające pojedyncze związki hydroksylowe są znacznie mniej rozcieńczone w cieczach.
Sześciokątny Ih ma kształt podobny do atomowej sieci krystalicznej. W przypadku lodu i całego naturalnego śniegu na Ziemi wygląda to dokładnie tak. Świadczy o tym symetria sieci kryształów lodu wyhodowanych z pary wodnej (czyli płatków śniegu). Znajduje się w grupie przestrzennej P 63/mm z 194; D 6h, klasa Laue 6/mm; podobny do β-, który ma wielokrotność 6 osi śrubowej (obrót wokół niej i ścinanie wzdłuż niej). Ma dość otwartą strukturę o niskiej gęstości, gdzie wydajność jest niska (~1/3) w porównaniu do prostych struktur sześciennych (~1/2) lub sześciennych skupionych na ścianie (~3/4).
W porównaniu ze zwykłym lodem sieć krystaliczna suchego lodu, związana cząsteczkami CO 2, jest statyczna i zmienia się tylko podczas rozpadu atomów.
Opis krat i ich elementów składowych
Kryształy można traktować jako krystaliczne wzory składające się z arkuszy ułożonych jeden na drugim. Wiązania wodorowe są uporządkowane, podczas gdy w rzeczywistości są przypadkowe, ponieważ protony mogą przemieszczać się pomiędzy cząsteczkami wody (lodu) w temperaturach powyżej około 5 K. Rzeczywiście jest prawdopodobne, że protony zachowują się jak płyn kwantowy w ciągłym przepływie tunelowym. Jest to wzmocnione przez rozpraszanie neutronów, pokazujące ich gęstość rozpraszania w połowie odległości między atomami tlenu, wskazując lokalizację i skoordynowany ruch. Obserwuje się tutaj podobieństwo lodu do atomowej, molekularnej sieci krystalicznej.
Cząsteczki mają schodkowy układ łańcucha wodoru w stosunku do trzech sąsiadów w płaszczyźnie. Czwarty element ma zaćmiony układ wiązań wodorowych. Występuje niewielkie odchylenie od doskonałej symetrii sześciokątnej, aż o 0,3% krótsze w kierunku tego łańcucha. Wszystkie cząsteczki doświadczają tego samego środowiska molekularnego. Wewnątrz każdego „pudełka” jest wystarczająco dużo miejsca, aby zatrzymać cząstki wody śródmiąższowej. Chociaż nie jest to powszechnie brane pod uwagę, ostatnio udało się je skutecznie wykryć metodą dyfrakcji neutronów na sproszkowanej siatce krystalicznej lodu.
Zmiana substancji
Sześciokątny korpus ma punkty potrójne z wodą ciekłą i gazową 0,01 °C, 612 Pa, elementami stałymi trzy -21,985 °C, 209,9 MPa, jedenaście i dwa -199,8 °C, 70 MPa i -34,7 °C, 212,9 MPa . Stała dielektryczna sześciokątnego lodu wynosi 97,5.
Krzywą topnienia tego pierwiastka wyraża się w MPa. Dostępne są równania stanu, a także kilka prostych nierówności związanych ze zmianą właściwości fizycznych lodu sześciokątnego i jego wodnych zawiesin. Twardość zmienia się w zależności od stopnia, wzrastając od mniej więcej lub poniżej poziomu gipsu (≤2) w temperaturze 0°C, do poziomu skalenia (6 w -80°C, nienormalnie duża zmiana twardości bezwzględnej (>24 razy).
Sześciokątna sieć krystaliczna lodu tworzy sześciokątne płyty i kolumny, których górna i dolna powierzchnia są płaszczyznami podstawowymi (0 0 0 1) o entalpii 5,57 μJ cm -2, a pozostałe równoważne płaszczyzny boczne nazywane są częściami pryzmatycznymi (1 0 -1 0) przy 5,94 µJ cm -2. Powierzchnie wtórne (1 1 -2 0) o 6,90 μJ ˣ cm -2 można formować wzdłuż płaszczyzn utworzonych przez boki konstrukcji.
Struktura ta wykazuje anomalny spadek przewodności cieplnej wraz ze wzrostem ciśnienia (jak lód sześcienny lub amorficzny o małej gęstości), ale różni się od większości kryształów. Dzieje się tak na skutek zmiany wiązań wodorowych, która zmniejsza prędkość poprzeczną dźwięku w sieci krystalicznej lodu i wody.
Istnieją metody opisujące sposób przygotowania dużych próbek kryształów i dowolnej pożądanej powierzchni lodu. Zakłada się, że wiązanie wodorowe na powierzchni badanego sześciokąta będzie bardziej uporządkowane niż wewnątrz układu masowego. Spektroskopia wariacyjna z oscylacją częstotliwości fazowo-sieciowych wykazała, że istnieje asymetria strukturalna pomiędzy dwiema górnymi warstwami (L1 i L2) w podpowierzchniowym łańcuchu H O podstawowej powierzchni sześciokątnego lodu. Wiązania wodorowe przyjęte w górnych warstwach sześciokątów (L1 O ··· HO L2) są silniejsze niż te przyjęte w drugiej warstwie do górnej akumulacji (L1 OH ··· O L2). Dostępne interaktywne sześciokątne struktury lodowe.
Cechy rozwoju
Minimalna liczba cząsteczek wody wymagana do zarodkowania lodu wynosi w przybliżeniu 275 ± 25, tyle samo, co w przypadku całego klastra dwudziestościennego wynoszącego 280. Tworzenie zachodzi ze współczynnikiem 10 10 na granicy faz powietrze-woda, a nie w wodzie masowej. Wzrost kryształków lodu zależy od różnych szybkości wzrostu różnych energii. Podczas kriokonserwacji próbek biologicznych, żywności i narządów należy chronić wodę przed zamarzaniem.
Zwykle osiąga się to poprzez szybkie chłodzenie, zastosowanie małych próbek i kriokonserwatora oraz zwiększenie ciśnienia w celu zarodkowania lodu i zapobiegania uszkodzeniom komórek. Energia swobodna lodu/cieczy wzrasta od ~30 mJ/m2 pod ciśnieniem atmosferycznym do 40 mJ/m2 przy 200 MPa, co wskazuje na przyczynę wystąpienia tego efektu.
Alternatywnie, mogą rosnąć szybciej z powierzchni pryzmatycznych (S2), na przypadkowo naruszonych powierzchniach gwałtownie zamarzniętych lub naruszonych jezior. Wzrost z twarzy (1 1 -2 0) jest co najmniej taki sam, ale zamienia je w podstawy pryzmatu. Dane dotyczące rozwoju kryształków lodu zostały w pełni zbadane. Względne tempo wzrostu elementów o różnych powierzchniach zależy od zdolności do wytworzenia większego stopnia nawodnienia stawów. O stopniu rozgałęzienia kryształu lodu decyduje (niska) temperatura otaczającej wody. Wzrost cząstek jest ograniczony szybkością dyfuzji przy niskim stopniu przechłodzenia, tj.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.
Jest to jednak ograniczone kinetyką rozwoju przy wyższych poziomach obniżenia stopni > 4°C, co prowadzi do wzrostu przypominającego igłę. Forma ta jest podobna do budowy suchego lodu (posiada sieć krystaliczną o strukturze heksagonalnej), ma inną charakterystykę rozwoju powierzchni i temperaturę otaczającej (przechłodzonej) wody, która kryje się za płaskimi formami płatków śniegu.
Tworzenie się lodu w atmosferze ma ogromny wpływ na powstawanie i właściwości chmur. Skalenie występujące w pyle pustynnym przedostającym się do atmosfery w ilościach milionów ton rocznie są ważnymi formacjami. Symulacje komputerowe wykazały, że jest to spowodowane zarodkowaniem płaszczyzn pryzmatycznych kryształków lodu na płaszczyznach powierzchni o wysokiej energii.
Niektóre inne elementy i kraty
Substancje rozpuszczone (z wyjątkiem bardzo małej ilości helu i wodoru, które mogą przedostać się do szczelin) nie mogą zostać włączone do struktury Ih pod ciśnieniem atmosferycznym, ale są wypychane na powierzchnię lub do warstwy amorficznej pomiędzy cząstkami ciała mikrokrystalicznego. W miejscach sieci krystalicznej suchego lodu znajdują się inne pierwiastki: jony chaotropowe, takie jak NH 4 + i Cl -, które łatwiej ulegają zamrożeniu cieczy niż inne kosmotropowe, takie jak Na + i SO 4 2-, więc ich usunięcie jest niemożliwe, gdyż tworzą cienką warstwę pozostałej cieczy pomiędzy kryształami. Może to prowadzić do naładowania elektrycznego powierzchni w wyniku dysocjacji wód powierzchniowych, równoważąc pozostałe ładunki (co może również skutkować promieniowaniem magnetycznym) i zmiany pH pozostałych warstw cieczy, np. NH 4 2 SO 4 wzrastając kwaśny, a NaCl staje się bardziej zasadowy.
Są prostopadłe do ścian sieci kryształów lodu, pokazując dołączoną kolejną warstwę (z atomami O-czarnymi). Charakteryzują się wolno rosnącą powierzchnią podstawową (0 0 0 1), do której przyłączają się jedynie izolowane cząsteczki wody. Szybko rosnąca (1 0 -1 0) powierzchnia pryzmatu, na której pary nowo przyłączanych cząstek mogą wiązać się ze sobą wodorem (jedno wiązanie/dwie cząsteczki pierwiastka). Najszybciej rosnąca ściana to (1 1 -2 0) (wtórny pryzmat), gdzie łańcuchy nowo przyłączonych cząstek mogą oddziaływać ze sobą poprzez wiązania wodorowe. Jedna z cząsteczek łańcucha/elementu jest formą tworzącą grzbiety, które dzielą i zachęcają do przekształcenia w dwie strony pryzmatu.
Entropia punktu zerowego
kBˣ Ln ( N
Naukowcy i ich prace w tej dziedzinie
Można zdefiniować jako S 0 = kBˣ Ln ( N E0), gdzie k B jest stałą Boltzmanna, NE jest liczbą konfiguracji przy energii E, a E0 jest najniższą energią. Ta wartość entropii sześciokątnego lodu w temperaturze zera kelwinów nie narusza trzeciej zasady termodynamiki „Entropia idealnego kryształu w temperaturze zera absolutnego wynosi dokładnie zero”, ponieważ te pierwiastki i cząstki nie są idealne i mają nieuporządkowane wiązania wodorowe.
W tym ciele wiązania wodorowe są przypadkowe i szybko się zmieniają. Struktury te nie mają dokładnie równej energii, ale rozciągają się na bardzo dużą liczbę energetycznie bliskich stanów i podlegają „prawom lodu”. Entropia punktu zerowego to zaburzenie, które utrzymywałoby się nawet, gdyby materiał można było schłodzić do zera absolutnego (0 K = -273,15 ° C). Powoduje zamieszanie eksperymentalne dla lodu sześciokątnego 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoretycznie możliwe byłoby obliczenie zerowej entropii znanych kryształków lodu ze znacznie większą dokładnością (pomijając defekty i rozrzut poziomów energii) niż wyznaczanie jej eksperymentalnie.
Chociaż kolejność protonów w lodzie nie jest uporządkowana, powierzchnia prawdopodobnie preferuje porządek wspomnianych cząstek w postaci pasm wiszących atomów H i samotnych par O (zerowa entropia z uporządkowanymi wiązaniami wodorowymi). Stwierdzono zaburzenie punktu zerowego ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 i inne. Z powyższego jasno i zrozumiałe jest, jakie rodzaje sieci krystalicznych są charakterystyczne dla lodu.
Ładunki dodatnie w cząsteczce wody są powiązane z atomami
wodór. Ładunki ujemne to elektrony walencyjne
tlen. Może być ich względna pozycja w cząsteczce wody
przedstawiony jako prosty czworościan.
Jak zbudowana jest cząsteczka lodu?
Nie ma specjalnych cząsteczek lodu. Cząsteczki wody, ze względu na swoją niezwykłą budowę, są połączone ze sobą w kawałku lodu, dzięki czemu każda z nich jest połączona i otoczona czterema innymi cząsteczkami. Prowadzi to do powstania bardzo luźnej struktury lodu, w której pozostaje dużo wolnej objętości. Prawidłowa krystaliczna struktura lodu wyraża się w niesamowitym wdzięku płatków śniegu i pięknie mroźnych wzorów na zamarzniętych szybach okiennych.
B N tyzu - schematyczne rozmieszczenie jąder atomowych wodoru i tlenu w cząsteczkach wody tworzących sieć krystaliczną lodu. W górę- cząsteczki wody, które utworzyły kryształ lodu, zachowując skalę powłok elektronowych. Zwróć uwagę na luźną strukturę lodu.
Jak zbudowane są cząsteczki wody w wodzie?
Niestety, to bardzo ważne zagadnienie nie zostało dostatecznie zbadane. Struktura cząsteczek w wodzie w stanie ciekłym jest bardzo złożona. Kiedy lód się topi, jego siatka
struktura jest częściowo zachowana w powstałej wodzie. Cząsteczki stopionej wody składają się z wielu prostych cząsteczek – agregatów, które zachowują właściwości lodu. Wraz ze wzrostem temperatury niektóre z nich rozpadają się, a ich rozmiary stają się mniejsze.
Wzajemne przyciąganie prowadzi do tego, że średnia wielkość złożonej cząsteczki wody w wodzie ciekłej znacznie przekracza wielkość pojedynczej cząsteczki wody. Ta niezwykła struktura molekularna wody decyduje o jej niezwykłych właściwościach fizykochemicznych,
W jakiej temperaturze powinna się gotować woda?
To pytanie jest oczywiście dziwne. W końcu woda wrze w temperaturze stu stopni. Każdy to wie. Co więcej, każdy wie, że to właśnie temperatura wrzenia wody pod ciśnieniem jednej atmosfery została wybrana jako punkt odniesienia w skali temperatur, umownie oznaczanej jako 100°C.
Pytanie jednak postawiono inaczej: w jakiej temperaturze powinna wrzeć woda? W końcu temperatury wrzenia różnych substancji nie są przypadkowe. Zależą one od położenia pierwiastków tworzących ich cząsteczki w układzie okresowym Mendelejewa.
Im niższa liczba atomowa pierwiastka, tym niższa jest jego masa atomowa i niższa temperatura wrzenia jego związków. Ze względu na skład chemiczny wodę można nazwać wodorkiem tlenu. H 2 Te, H 2 Se i H 2 S są chemicznymi analogami wody. Jeśli monitorujesz ich temperatury wrzenia i porównujesz, jak zmieniają się temperatury wrzenia wodorków w innych grupach układu okresowego, możesz dość dokładnie określić temperaturę wrzenia dowolnego wodorku, a także każdego innego związku. Sam Mendelejew przewidział właściwości związków chemicznych pierwiastków, które nie zostały jeszcze w ten sposób odkryte.
Jeśli określimy temperaturę wrzenia wodorku tlenu na podstawie jego położenia w układzie okresowym, okaże się, że woda powinna wrzeć w temperaturze 80° poniżej zera. Dlatego woda wrze o około sto osiemdziesiąt stopni wyżej, niż powinna. Temperatura wrzenia wody – to jej najczęstsza właściwość – okazuje się niezwykła i zaskakująca.
Teraz spróbuj sobie wyobrazić, że nasza woda nagle utraciła zdolność tworzenia złożonych, powiązanych cząsteczek. Wtedy prawdopodobnie musiałoby się zagotować w takiej temperaturze, jaka powinna być zgodna z prawem okresowości. Co by się wówczas stało na naszej Ziemi? Oceany nagle się zagotują. Na Ziemi nie zostanie już ani kropla wody, a na niebie nie pojawi się już ani jedna chmura... Przecież w atmosferze globu temperatura nigdzie nie spada poniżej minus 80° - minus 90° C.
W jakiej temperaturze zamarza woda?
Czy nie jest prawdą, że pytanie jest nie mniej dziwne niż poprzednie? No cóż, kto nie wie, że woda zamarza w temperaturze zera stopni? Jest to drugi punkt odniesienia termometru. Jest to najczęstsza właściwość wody. Ale nawet w tym przypadku można zadać pytanie, w jakiej temperaturze woda powinna zamarznąć, zgodnie ze swoją naturą chemiczną. Okazuje się, że wodorek tlenu, biorąc pod uwagę jego położenie w układzie okresowym, musiałby zestalić się w temperaturze stu stopni poniżej zera.
Jest w stanie skupienia, który w temperaturze pokojowej ma zwykle postać gazową lub ciekłą. Badania właściwości lodu zaczęto badać setki lat temu. Około dwieście lat temu naukowcy odkryli, że woda nie jest prostym związkiem, ale złożonym pierwiastkiem chemicznym składającym się z tlenu i wodoru. Po odkryciu formuła wody stała się H2O.
Struktura lodu
H2O składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. W stanie spokojnym wodór znajduje się na szczytach atomu tlenu. Jony tlenu i wodoru powinny zajmować wierzchołki trójkąta równoramiennego: tlen znajduje się w wierzchołku kąta prostego. Ta struktura wody nazywa się dipolem.
Lód składa się z 11,2% wodoru, a pozostała część to tlen. Właściwości lodu zależą od jego budowy chemicznej. Czasami zawiera formacje gazowe lub mechaniczne - zanieczyszczenia.
Lód występuje w przyrodzie w postaci kilku gatunków krystalicznych, które stabilnie zachowują swoją strukturę w temperaturach od zera i niższych, natomiast od zera i powyżej zaczyna się topić.
Struktura krystaliczna
Właściwości lodu, śniegu i pary są zupełnie inne i zależą od tego, czy w stanie stałym H 2 O jest otoczony przez cztery cząsteczki znajdujące się w rogach czworościanu. Ponieważ liczba koordynacyjna jest niska, lód może mieć strukturę ażurową. Znajduje to odzwierciedlenie we właściwościach lodu i jego gęstości.
Kształty lodu
Lód jest jedną z najczęściej występujących substancji w przyrodzie. Na Ziemi występują następujące odmiany:
- rzeka;
- jezioro;
- nautyczny;
- firn;
- lodowiec;
- grunt.
Istnieje lód, który powstaje bezpośrednio w wyniku sublimacji, tj. ze stanu pary. Wygląd ten przybiera kształt szkieletowy (nazywamy je płatkami śniegu) oraz agregaty wzrostu dendrytycznego i szkieletowego (szron, szron).
Jedną z najpowszechniejszych form są stalaktyty, czyli sople lodu. Rosną na całym świecie: na powierzchni Ziemi, w jaskiniach. Ten rodzaj lodu powstaje w wyniku przepływu kropelek wody, gdy różnica temperatur wynosi około zera stopni w okresie jesienno-wiosennym.
Formacje w postaci pasów lodu, które pojawiają się wzdłuż krawędzi zbiorników, na granicy wody i powietrza, a także wzdłuż krawędzi kałuż, nazywane są brzegami lodu.
W glebach porowatych lód może tworzyć się w postaci włóknistych żył.
Właściwości lodu
Substancja może znajdować się w różnych stanach. Na tej podstawie powstaje pytanie: jaka właściwość lodu przejawia się w tym czy innym stanie?
Naukowcy rozróżniają właściwości fizyczne i mechaniczne. Każdy z nich ma swoją własną charakterystykę.
Właściwości fizyczne
Właściwości fizyczne lodu obejmują:
- Gęstość. W fizyce ośrodek niejednorodny jest reprezentowany przez granicę stosunku masy substancji samego ośrodka do objętości, w której jest ono zawarte. Gęstość wody, podobnie jak innych substancji, jest funkcją temperatury i ciśnienia. Zazwyczaj w obliczeniach wykorzystuje się stałą gęstość wody równą 1000 kg/m3. Dokładniejszy wskaźnik gęstości brany jest pod uwagę tylko wtedy, gdy konieczne jest przeprowadzenie bardzo dokładnych obliczeń ze względu na wagę wynikowego wyniku różnicy gęstości.
Obliczając gęstość lodu, bierze się pod uwagę, jaki rodzaj wody stał się lodem: jak wiadomo, gęstość wody słonej jest wyższa niż wody destylowanej. - Temperatura wody. Zwykle występuje w temperaturze zero stopni. Procesy zamrażania zachodzą sporadycznie wraz z wydzielaniem ciepła. Proces odwrotny (topienie) zachodzi, gdy pochłonięta zostanie taka sama ilość ciepła, jaka została uwolniona, ale bez skoków, ale stopniowo.
W naturze występują warunki, w których woda ulega przechłodzeniu, ale nie zamarza. Niektóre rzeki zatrzymują wodę w stanie ciekłym nawet w temperaturze -2 stopni. - ilość ciepła pochłonięta podczas ogrzewania ciała o każdy stopień. Istnieje ciepło właściwe, które charakteryzuje się ilością ciepła potrzebną do ogrzania kilograma wody destylowanej o jeden stopień.
- Ściśliwość. Kolejną właściwością fizyczną śniegu i lodu jest ściśliwość, która wpływa na zmniejszenie objętości pod wpływem zwiększonego ciśnienia zewnętrznego. Odwrotność wielkości nazywa się elastycznością.
- Siła lodu.
- Kolor lodu. Właściwość ta zależy od pochłaniania światła i rozpraszania promieni, a także od ilości zanieczyszczeń w zamarzniętej wodzie. Lód rzek i jezior bez obcych zanieczyszczeń jest widoczny w delikatnym niebieskim świetle. Lód morski może być zupełnie inny: niebieski, zielony, niebieski, biały, brązowy lub mieć stalowy odcień. Czasami można zobaczyć czarny lód. Uzyskuje ten kolor dzięki dużej liczbie minerałów i różnych zanieczyszczeń organicznych.
Właściwości mechaniczne lodu
O właściwościach mechanicznych lodu i wody decyduje ich odporność na wpływ środowiska zewnętrznego w przeliczeniu na jednostkę powierzchni. Właściwości mechaniczne zależą od struktury, zasolenia, temperatury i porowatości.
Lód jest elastyczną, lepką i plastyczną formacją, ale w pewnych warunkach staje się twardy i bardzo kruchy.
Lód morski i lód słodkowodny różnią się od siebie: ten pierwszy jest znacznie bardziej elastyczny i mniej trwały.
Podczas mijania statków należy wziąć pod uwagę właściwości mechaniczne lodu. Jest to również ważne w przypadku korzystania z oblodzonych dróg, przejazdów i nie tylko.
Woda, śnieg i lód mają podobne właściwości, które decydują o właściwościach substancji. Ale jednocześnie na odczyty te wpływa wiele innych czynników: temperatura otoczenia, zanieczyszczenia w ciele stałym, a także początkowy skład cieczy. Lód to jedna z najciekawszych substancji na Ziemi.