Лід , вода в твердому стані; відомо 10 кристалічних модифікацій Л. і аморфний Л. На мал. 1 змальована фазова діаграма води, з якої видно, при яких температурах і тиску стійка та або інша модифікація. Найбільш вивченим є Л. 1 (таблиця. 1 і 2) — єдина модифікація Л., виявлена в природі. Л. зустрічається в природі у вигляді власний Л. (материкового, плаваючого, підземного і так далі), а також у вигляді снігу, інею і так далі Природний Л. зазвичай значно чистіше, ніж вода, оскільки розчинність речовин (окрім Nh 4 F) в Л. украй погана. Л. може містити механічні домішки — тверді частки, крапельки концентрованих розчинів, бульбашки газу. Наявністю кристалів солі і крапельок розсолу пояснюється солоноватость морського льоду. Загальні запаси Л. на Землі близько 30 млн. км 3 . Є дані про наявність Л. на планетах Сонячної системи і в кометах. Основні запаси Л. на Землі зосереджені в полярних країнах (головним чином в Антарктиді, де товщина шаруючи Л. досягає 4 км. ) .
Таблиця. 1. — Деякі властивості льоду I
Властивість
Значення
Примітка
Теплоємність, кал/ ( г ··°C)
Теплота танення, кал/г
Теплота паротворення, кал/г
0,51 (0°c)
79,69
677
Сильно зменшується з пониженням температури
Коефіцієнт термічного розширення, 1/°c
9,1·10 —5 (0°c)
Теплопровідність, кал/ ( см сік ··°C)
4,99·10 —3
Показник заломлення:
для звичайного променя
для незвичайного променя
1,309 (—3°C)
1,3104 (—3°C)
Питома електрична провідність, ом —1 ·см —1
10 —9 (0°c)
енергія активації, що Здається 11 ккал/міль
Поверхнева електропровідність, ом —1
10 —10 (—11°C)
енергія активації, що Здається, 32 ккал/міль
Модуль Юнга, дінів/см
9·10 10 (—5°C)
Полікрісталліч. лід
Опір, Мн/м 2 :
розчавлюванню
розриву
зрізу
2,5
1,11
0,57
Полікристалічний лід
Полікристалічний лід
Полікристалічний лід
Середня ефективна в'язкість, пз
10 14
Полікристалічний лід
Показник міри статечного закону перебігу
3
Енергія активації при деформації і механічній релаксації, ккал/міль
11,44—21,3
Лінійно зростає на 0,0361 ккал/ ( міль ·°C) від 0 до 273,16 До
Таблиця. 2. — Кількість, поширення і час життя льоду 1
Вигляд льоду
Маса
Площа поширення
Середня концен трация г/см 2
Швидкість приросту маси, г/рік
Середній час життя, рік
г
%
млн. км 2
%
Льодовики
2,4·10 22
98,95
16,1
10,9
суші
1,48·10 5
2,5·10 18
9580
Підземний лід
2·10 20
0,83
21
14,1
суші
9,52·10 3
6·10 18
30—75
Морський лід
3,5·10 19
0,14
26
7,2
океану
1,34·10 2
3,3·10 19
1,05
Сніговий покрив
1,0·10 19
0,04
72,4
14,2
Землі
14,5
2·10 19
0.3—0,5
Айсберги
7,6·10 18
0,03
63,5
18,7
океану
14,3
1,9·10 18
4,07
Атмосферний лід
1,7·10 18
0,01
510,1
100
Землі
3,3·10 —1
3,9·10 20
4·10 —3
У зв'язку з широким поширенням води і Л. на земній поверхні різка відмінність частини властивостей Л. від властивостей ін. речовин грає важливу роль в природних процесах. Унаслідок меншої, ніж у води, щільності Л. утворює на поверхні води плавучий покрив, що оберігає річки і водоймища від промерзання до дна. Залежність між сталою швидкістю течії і напругою в полікристалічного Л. гіперболічна; при наближеному описі її статечним рівнянням показник міри збільшується у міру зростання напруги; окрім того, швидкість течії прямо пропорційна енергії активації і назад пропорційна абсолютній температурі, так що з пониженням температури Л. наближається до абсолютно твердого тіла. В середньому при близькій до танення температурі текучість Л. у 10 6 раз вище, ніж в гірських порід. Завдяки текучості Л. не нагромаджується безмежно, а стікає з тих частин земної поверхні, де його випадає більше, ніж тане (див. Льодовики ) . Унаслідок дуже високої відбивної здатності Л. (0,45) і особливо сніги (до 0,95) покрита ними площа — в середньому за рік близько 72 млн. км 2 у високих і середніх широтах обох півкуль — отримує сонячного тепла на 65% менше норми і є потужним джерелом охолоджування земної поверхні, ніж значною мірою обумовлена сучасна широтна кліматична зональність. Влітку в полярних областях сонячна радіація більша, ніж в екваторіальному поясі, проте температура залишається низькою, оскільки значна частина тепла, що поглинається, витрачається на танення Л., що має дуже високу теплоту танення.
Л. II, III і V тривалий час зберігаються при атмосферному тиску, якщо температура не перевищує —170°С. При нагріванні приблизно до —150°С вони перетворюються на кубічний Л. (Л. Ic), не показаний на діаграмі, оскільки невідомо, чи є він стабільною фазою. Ін.(Древн) спосіб здобуття Л. Ic — конденсація водяної пари на охолоджену до —120°С підкладку. При конденсації пари на холоднішій підкладці утворюється аморфний Л. Обе ці форми Л. можуть мимоволі переходити в гексагональний Л. I, причому тим швидше, чим вище температура.
Л. IV є метастабільною фазою в зоні стійкості Л. V. Л. IV легше утворюється, а можливо і стабільний, якщо тиску піддається важка вода. Крива плавлення льоду VII досліджена до тиску 20 Гн/м 2 (200 тис. кгс/см 2 ) . При цьому тиску Л. VII плавиться при температурі 400°С. Л. VIII є низькотемпературною впорядкованою формою Л. VII. Л. IX — метастабільна фаза, що виникає при переохолодженні Л. III і що по суті є низькотемпературною його формою. Взагалі явища переохолодження і метастабільні рівноваги дуже характерні для фаз, що утворюються водою. Деякі з ліній метастабільних равновесий позначені на діаграмі пунктиром.
Поліморфізм Л. був виявлений Г. Тамманом (1900) і детально вивчений П. Бріджменом (починаючи з 1912). З 60-х рр. фазова діаграма води, отримана Бріджменом, кілька разів доповнювалася і уточнювалася. У таблиці. 3 і 4 приведені деякі дані про структури модифікацій Л. і деякі їх властивості.
Кристали всіх модифікацій Л. побудовані з молекул води H 2 O, сполучених водневими зв'язками в тривимірний каркас ( мал. 2 ). Кожна молекула бере участь в 4 таких зв'язках, направлених до вершин тетраедра. У структурах Л. I, Ic, VII і VIII цей тетраедр правильний, тобто кут між зв'язками складає 109°28''. Велика щільність Л. VII і VIII пояснюється тим, що їх структури містять по 2 тривимірних сітки водневих зв'язків (кожна з яких ідентична структурі Л. Ic), вставленої одна в іншу. У структурах Л. II, III, V і VI тетраедри помітно спотворено. У структурах Л. VI, VII і VIII можна виділити 2 взаїмоперекрещивающиеся системи водневих зв'язків. Дані про положення протонів в структурах Л. менш визначені, чим атомів кисню. Можна стверджувати, що конфігурація молекули води, характерна для пари зберігається і в твердому стані (мабуть, декілька подовжуються відстані Про — Н унаслідок утворення водневих зв'язків), а протони тяжіють до ліній, що сполучають центри атомів кисню. Т. о. можливі 6 більш менш еквівалентних орієнтацій молекул води відносно їх сусідів. Частина з них виключається, оскільки знаходження одночасне 2 протонів на одному водневому зв'язку маловірогідно, але залишається достатня невизначеність в орієнтації молекул води. Вона здійснюється в більшості модифікацій Л. — I, III, V, VI і VII (і очевидно в Ic), так що, по вираженню Дж. Бернала, Л. кристалічний відносно атомів кисню і стеклообразен відносно атомів водню. У Л. II, VIII і IX молекули води орієнтаційно впорядковано.
Таблиця. 3. — Деякі дані про структури модифікацій льоду
Модіфі кация
Сингонія
Федоровськая група
Довжини водневих зв'язків,
Кути О—О—О в тетраедрах
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
Гексагональна
Кубічеськая
Трігональная
Тетрагон
Моноклінна
Тетрагон
Кубічна
Кубічна
Тетрагон
P 6 3 / mmc
F 4 3 m
R3
P4 1 2 1 2
A2/a
P4 2 / nmc
I m 3 m
I m 3 m
P4 1 2 1 2
2,76
2,76
2,75—2,84
2,76—2,8
2,76—2,87
2,79—2,82
2,86
2,86
2,76—2,8
109,5
109,5
80—128
87—141
84—135
76—128
109,5
109,5
87—141
Примітка. 1 A=10 -10 м.
Таблиця. 4. — Щільність і статична діелектрична проникність різних льодів
Модифікація
Темп-ра °С
Тиск, Мн/м 2
Щільність, г/см 2
Діелектрична проникність
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
0
—130
—35
—22
—5
15
25
—50
—110
0,1
0,1
210
200
530
800
2500
2500
230
0,92
0,93
1,18
1,15
1,26
1,34
1,65
1,66
1,16
94
—
3,7
117
144
193
~150
~3
~4
Л. у атмосфері, у воді, на земній і водній поверхні і в земній корі робить великий вплив на умови проживання і життєдіяльності рослин і тварин, на різні види господарської діяльності людини. Він може викликати ряд стихійних явищ з шкідливими і руйнівними наслідками (обмерзання літальних апаратів, судів, споруд, дорожнього полотна і грунту, градобою, завірюхи і снігові замети, річкові затори і зажори з повенями крижані обва
