Изготовление льда в виде кубов

Вопрос:

Здравствуйте Олег! Могли бы Вы мне помочь? Вопрос вот в чем: я хотела бы изготавливать лед в виде кубов, но сколько бы я не пробовала их делать, кубы получаются с белым пятном внутри, хотя я использовала очищенную воду и даже дистиллированную... Также почему то внутри куба появляется большое количество пузырьков. Я очень надеюсь,что Вы сможете мне помочь. Заранее большое спасибо! Виктория. 

Ответ:


Здравствуйте, Виктория! Столь странное поведение ваших кубиков льда объясняется особенностями процесса кристаллизации. Превращение жидкости в кристалл происходит в первую очередь на центрах кристаллизации; примесях и неоднородностях — частичках пыли, пузырьках воздуха, мельчайших царапинах на стенках сосуда. Чистая вода центров кристаллизации практически лишена, поэтому она может переохлаждаться, и довольно сильно, оставаясь жидкой, но мельчайшие пузырьки воздуха вода всегда содержит. Они то и являются причиной наблюдаемого эффекта. В лабораторных условиях температуру воды, правда, в очень малых объёмах, удавалось довести до –70°С.

Есть даже такая гипотеза, что в структуре льда остаются многочисленные поры и промежутки, заполненные воздухом. Пузырьки воздуха вмерзают в лёд, и такая „губка“ становится значительно легче воды. Но даже лёд без микроскопических пор и трещин имеет плотность 0,9168 г/см 3 при 0°С, а вода при той же температуре — 0,9984 г/см 3.

Слева - Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H2O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок“.

Сами молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они располагаются так, что выпуклости (соответствующие атомам водорода) ориентируются строго по направлению двух соседних молекул. В результате возникает трёхмерная кристаллическая решётка, состоящая из почти идеальных тетраэдров. Каждая молекула в его вершинах окружена четырьмя другими, т.е. имеет координационное число равное 4.

Похожие явления кристаллизации льда на примесях можно наблюдать и в природе. Многие путешественники давно отмечали, что глубокой осенью очень чистые речки и ручьи начинают замерзать со дна. Сквозь слой чистой воды хорошо видно, что водоросли и коряги на дне обрастают рыхлой ледяной шубой. В какой-то момент этот донный лёд всплывает, и поверхность воды мгновенно оказывается скованной ледяной коркой.

К подобным сообщениям всегда относились довольно скептически. Температура верхних слоёв воды ниже, чем глубинных, и замерзание вроде бы должно начинаться с поверхности. Однако чистая вода замерзает неохотно, и лёд в первую очередь образуется там, где имеются центры кристаллизации - взвесь ила и твёрдая поверхность, — возле дна.

Кристалл льда стремится вырасти как можно более правильным — это „выгодно“ с точки зрения его внутренней энергии. А любые примеси искажают форму решётки. Поэтому растущий кристалл вытесняет любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить идеальную решетку, пока это возможно. И только когда примесям деваться уже некуда, кристалл льда начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде капсул концентрированной жидкостью. Поэтому морской лёд пресный, а даже самые грязные лужи покрываются прозрачным и чистым льдом.

Водопроводная вода содержит примерно сто частей примесей на миллион частей воды (в основном это хлор, растворённый для дезинфекции, поваренная соль, которая есть везде, и твёрдые микрочастицы). Дистилляцией в обычных лабораторных условиях их количество нетрудно понизить раз в сто, получив воду с чистотой 99,9999%. Если же сосуд с этой водой медленно охлаждать с одной стороны, получится лёд с чистотой уже до шести девяток после запятой. В нём отыщется только одна частица примеси на сто миллионов частиц воды.

В минералогических коллекциях нередко можно видеть, например, прозрачные кристаллы корунда Al2O3, которые заканчиваются рубиновой „шапочкой“. Это растущий кристалл „собрал“ со всего объёма примесь — ионы хрома Cr 3+, которые превращают бесцветный корунд в красный рубин.

Аналогичным образом, и лёд, выжимая примеси из своей кристаллической решётки, становится прозрачным. А снег же, который состоит из микроскопических кристалликов льда, непрозрачен. В чём же причина столь разных оптических свойств одного и того же вещества?

Слева - Видимый свет льдом практически не поглощается, но задерживает весь ультрафиолет и большую часть инфракрасного излучения. В этих областях спектра лёд выглядит абсолютно чёрным.

Справа - Белый свет, падающий на снег, не поглощается, а многократно преломляется в ледяных кристаллах и отражается от их граней. Поэтому снег выглядит белым.

Как это ни странно, причина здесь одна. Лёд практически не поглощает видимый свет. И если бы лёд не был прозрачным, снег не был бы белым. Световые лучи проходят ледяную пластинку насквозь, а в слое снега испытывают многократное отражение и выходят обратно, не потеряв ни одного из компонентов спектра. Но если бы мы могли видеть инфракрасное излучение и ультрафиолет, снег казался бы нам абсолютно чёрным: коэффициент поглощения света в этих областях спектра очень велик.

Так почему же иногда у вас получается прозрачный лёд из дистиллированной воды, а иногда нет? Дело в том, что при замерзании капелек воды выделяются мельчайшие пузырьки воздуха, которые всегда присутствуют в воде. Они прилипают к граням кристаллов льда. Чем больше образуется кристалликов льда, тем больше пузырьков воздуха — вот вам и непрозрачный лед. Если вода подо льдом движется, воздушные пузырьки собираются вместе, и образуется прозрачный лед.

Попробуйте провести такой эксперимент. Вам понадобится формочка из тонкого пластика. Стеклянная посуда не годится: при замерзании вода расширяется почти на 10% (именно поэтому лед плавает) и разрывает хрупкий материал. Формочку нужно тщательно промыть и, не вытирая, высушить, повернув дном кверху, чтобы внутрь не попала пыль.

Воду используйте очень чистую, хорошо прокипяченную (а еще лучше дистиллированную - она продается в аптеках). Стакан с водой в морозный день при -2 -5оС поставьте за окно, прикрыв кусочком чистого стекла и защитив от прямых солнечных лучей. Через несколько часов содержимое стакана охладится ниже нуля, но останется жидким (если, конечно, все рекомендации были выполнены аккуратно).

Осторожно откройте стакан и бросьте в воду маленький кусочек льда, щепотку снега или просто пыли. На ваших глазах вода мгновенно замерзнет, прорастая по всему объему красивыми кристаллами.

Можно получить прозрачный лёд и в морозильной камере холодильника. Но для этого вам надо предварительно прокипятить используемую для приготовления льда дистиллированную воду, чтобы весь воздух, содержащийся в воде улетучился.

С уважением, к.х.н. О.В. Мосин


Дополнения от читателей

Прочитал вопрос как получить лед без примесей газа, т.е. идеально прозрачным. В ответе много теории но без практического совета. В свое время для оптических исследований эту проблему решили следующим путем: пакет молока сдистилированной водой сверху и сбоков изолировали пенопластом и поставили в холодильник. Замораживание образование льда происходит снизу в верх и пузырьки имеют выход. Если замораживать со всех сторон, лед не прозрачный из-за того что нет выхода для пузырьков. Прислал AndreyKo1.