Значение слова ЛЁД в Большой советской энциклопедии, БСЭ

ЛЁД

вода в твёрдом состоянии; известно 10 кристаллических модификаций Л. и аморфный Л. На рис. 1 изображена фазовая диаграмма воды, из которой видно, при каких температурах и давлениях устойчива та или иная модификация. Наиболее изученным является Л. 1 (табл. 1 и 2) - единственная модификация Л., обнаруженная в природе. Л. встречается в природе в виде собственно Л. (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Природный Л. обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме NH4F) во Л. крайне плохая. Л. может содержать механические примеси - твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда. Общие запасы Л. на Земле около 30 млн. км3. Имеются данные о наличии Л. на планетах Солнечной системы и в кометах. Основные запасы Л. на Земле сосредоточены в полярных странах (главным образом в Антарктиде, где толщина слоя Л. достигает 4 км ) .

Табл. 1 . - Некоторые свойства льда I

Свойство

Значение

Примечание

Теплоемкость, кал/ ( г TT|C)

Теплота таяния, кал/г

Теплота парообразования, кал/г

0,51 (0|C)

79,69

677

Сильно уменьшается с понижением температуры

Коэффициент термического расширения, 1/|C

9,1T10-5 (0|C)

Теплопроводность, кал/ ( см сек TT|C)

4,99T10-3

Показатель преломления:

для обыкновенного луча

для необыкновенного луча

1,309 (-3|C)

1,3104 (-3|C)

Удельная электрическая проводимость, ом-1Tсм-1

10-9 (0|C)

Кажущаяся энергия активации 11 ккал/моль

Поверхностная электропроводность, ом-1

10-10 (-11|C)

Кажущаяся энергия активации 32 ккал/моль

Модуль Юнга, дин/см

9T1010 (-5|C)

Поликристаллич. лёд

Сопротивление, Мн/м2 :

раздавливанию

разрыву

срезу

2,5

1,11

0,57

Поликристаллический лёд

Средняя эффективная вязкость, пз

1014

Поликристаллический лёд

Показатель степени степенного закона течения

Энергия активации при деформировании и механической релаксации, ккал/моль

11,44-21,3

Линейно растет на 0,0361 ккал/ ( моль T|C) от 0 до 273,16 К

Примечание. 1 кал/(г×|С)4,186 кджl ( kг (К) ; 1 ом-1 × см-1 100 сим/м; 1 дин/см 10-3 н/м; 1 кал/ ( см ( сек ×|С)418,68 вт/ ( м (К) ; 1 пз 10-1 н ( сек/м2.

Табл. 2 . - Количество, распространение и время жизни льда 1

Вид льда

Масса

Площадь распространения

Средняя концен

трация, г/см2

Скорость прироста массы, г/год

Среднее время жизни, год

млн. км2

Ледники

2,4T1022

98,95

16,1

10,9

суши

1,48T105

2,5T1018

9580

Подземный лёд

2T1020

0,83

14,1

суши

9,52T103

6T1018

30-75

Морской лёд

3,5T1019

0,14

7,2

океана

1,34T102

3,3T1019

1,05

Снежный покров

1,0T1019

0,04

72,4

14,2

Земли

14,5

2T1019

0.3-0,5

Айсберги

7,6T1018

0,03

63,5

18,7

океана

14,3

1,9T1018

4,07

Атмосферный лёд

1,7T1018

0,01

510,1

100

Земли

3,3T10-1

3,9T1020

4T10-3

В связи с широким распространением воды и Л. на земной поверхности резкое отличие части свойств Л. от свойств др. веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности Л. образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от промерзания до дна. Зависимость между установившейся скоростью течения и напряжением у поликристаллического Л. гиперболическая; при приближённом описании её степенным уравнением показатель степени увеличивается по мере роста напряжения; кроме того, скорость течения прямо пропорциональна энергии активации и обратно пропорциональна абсолютной температуре, так что с понижением температуры Л. приближается к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть Л. в 106 раз выше, чем у горных пород. Благодаря текучести Л. не накопляется беспредельно, а стекает с тех частей земной поверхности, где его выпадает больше, чем стаивает (см. Ледники ) . Вследствие очень высокой отражательной способности Л. (0,45) и особенно снега (до 0,95) покрытая ими площадь - в среднем за год около 72 млн. км2 в высоких и средних широтах обоих полушарий - получает солнечного тепла на 65% меньше нормы и является мощным источником охлаждения земной поверхности, чем в значительной мере обусловлена современная широтная климатическая зональность. Летом в полярных областях солнечная радиация больше, чем в экваториальном поясе, тем не менее температура остаётся низкой, т. к. значительная часть поглощаемого тепла затрачивается на таяние Л., имеющего очень высокую теплоту таяния.

Л. II, III и V длительное время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превышает -170|С. При нагревании приблизительно до -150|С они превращаются в кубический Л. (Л. Ic), не показанный на диаграмме, т. к. неизвестно, является ли он стабильной фазой. Др. способ получения Л. Ic - конденсация водяных паров на охлажденную до -120|С подложку. При конденсации паров на более холодной подложке образуется аморфный Л. Обе эти формы Л. могут самопроизвольно переходить в гексагональный Л. I, причём тем скорее, чем выше температура.

Л. IV является метастабильной фазой в зоне устойчивости Л. V. Л. IV легче образуется, а возможно и стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода. Кривая плавления льда VII исследована до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2 ) . При этом давлении Л. VII плавится при температуре 400|С. Л. VIII является низкотемпературной упорядоченной формой Л. VII. Л. IX - метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении Л. III и по существу представляющая собой низкотемпературную его форму. Вообще явления переохлаждения и метастабильные равновесия очень характерны для фаз, образуемых водой. Некоторые из линий метастабильных равновесий обозначены на диаграмме пунктиром.

Полиморфизм Л. был обнаружен Г. Тамманом (1900) и подробно изучен П. Бриджменом (начиная с 1912). С 60-х гг. фазовая диаграмма воды, полученная Бриджменом, несколько раз дополнялась и уточнялась. В табл. 3 и 4 приведены некоторые данные о структурах модификаций Л. и некоторые их свойства.

Кристаллы всех модификаций Л. построены из молекул воды H2O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас ( рис. 2 ). Каждая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. В структурах Л. I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный, т. е. угол между связями составляет 109|28'. Большая плотность Л. VII и VIII объясняется тем, что их структуры содержат по 2 трёхмерные сетки водородных связей (каждая из которых идентична структуре Л. Ic), вставленные одна в другую. В структурах Л. II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах Л. VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Данные о положениях протонов в структурах Л. менее определенны, чем атомов кислорода. Можно утверждать, что конфигурация молекулы воды, характерная для пара, сохраняется и в твёрдом состоянии (по-видимому, несколько удлиняются расстояния О - Н вследствие образования водородных связей), а протоны тяготеют к линиям, соединяющим центры атомов кислорода. Т. о. возможны 6 более или менее эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из них исключается, поскольку нахождение одновременно 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды. Она осуществляется в большинстве модификаций Л. - I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), так что, по выражению Дж. Бернала , Л. кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода. Во Л. II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены.

Табл. 3 . - Некоторые данные о структурах модификаций льда

Модифи

кация

Сингония

Фёдоровская группа

Длины водородных связей,

Углы О-О-О в тетраэдрах

III

VII

VIII

Гексагональная

Кубическая

Тригональная

Тетрагональная

Моноклинная

Тетрагональная

Кубическая

Тетрагональная

P 6 3/ mmc

F 4 3 m

P41212

A2/a

P42/ nmc

I m 3 m

P41212

2,76

2,75-2,84

2,76-2,8

2,76-2,87

2,79-2,82

2,86

2,76-2,8

109,5

80-128

87-141

84-135

76-128

109,5

87-141

Примечание. 1 A10-10 м.

Табл. 4 . - Плотность и статическая диэлектрическая проницаемость различных льдов

Модификация

Темп-ра, |С

Давление, Мн/м2

Плотность, г/см2

Диэлектрическая проницаемость

III

VII

VIII

-130

-35

-22

-5

-50

-110

0,1

210

200

530

800

2500

230

0,92

0,93

1,18

1,15

1,26

1,34

1,65

1,66

1,16

3,7

117

144

193

~150

Л. в атмосфере, в воде, на земной и водной поверхности и в земной коре оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Он может вызывать ряд стихийных явлений с вредными и разрушительными последствиями (обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, градобития, метели и снежные заносы, речные заторы и зажоры с наводнениями, ледяные обвалы, разрыв корней растений при образовании слоев Л. в почве и др.). Прогнозирование, обнаружение, предотвращение вредных явлений, борьба с ними и использование Л. в различных целях (снегозадержание, устройство ледяных переправ, изотермических складов, облицовка хранилищ, льдозакладка шахт и т.п.) представляют предмет ряда разделов гидрометеорологических и инженерно-технических знаний (ледотехника, снеготехника, инженерное мерзлотоведение и др.), деятельности специальных служб (ледовая разведка, ледокольный транспорт, снегоуборочная техника, искусственное сбрасывание лавин и т.д.). Для некоторых видов спорта используются катки с искусственным охлаждением, позволяющие проводить соревнования на Л. в тёплое время года и в закрытом помещении. Природный Л. используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается (см. Ледник , Льдопроизводство ) .

Лит.: Шумский П. А., Основы структурного ледоведения, М., 1955; Паундер Э. Р., Физика льда, пер. с англ., М., 1967; Eisenberg D., Kauzmann W., The structure and properties of water, Oxf., 1969; Fletcher N. H., The chemical physics of ice, Camb., 1970.

Г. Г. Маленков.

Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012