Почему замёрзшая вода мутная

Вопрос:

Здравствуйте! Скажите почему моя замерзшая из под крана вода почти вся мутная (на 80%), прозрачного есть только еле чуть по краям, она что такая грязная? От минералки с магазина тот же результат. Спасибо за ответ! Руслан

Ответ:

 


Уважаемый Руслан. Такое странное поведение ваших кубиков льда объясняется особенностями процесса кристаллизации воды. 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. А тем более газированная вода, насыщенная углекислым газом. Они то и являются причиной того, что лёд выглядит мутным, а не потому, что она грязная.
Процесс кристаллизации происходит так. Каждый образующийся кристаллик воды имеет шесть лучей. Соединяясь, они образуют лед, и вскоре на поверхности воды образуется корочка льда. Иногда лед получается прозрачным, иногда — нет. Почему? Дело в том, что при замерзании капелек воды мельчайшие пузырьки воздуха прилипают к лучам кристаллов льда. Чем больше образуется кристалликов льда, тем больше пузырьков воздуха — вот вам и непрозрачный мутный лед.

Если вода подо льдом движется и равномерно перемешивается, воздушные пузырьки не собираются вместе, и образуется прозрачный лед.

В природе это происходит когда снег опускается на воду, температура которой близка к замерзанию, он сбивается при волнении в гряды толщиной 0,5 м. Когда температура воды опускается до точки замерзания, мокрый снег и вода смерза ются, и образуется мутный, непрозрачный лед.

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.

Рис. Кристаллические решётки льда. Молекулы воды H2O (зелёные 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.

Рис. 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.

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?

Как это ни странно, причина в данном случае 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.

Можно получить прозрачный лёд и в морозильной камере холодильника. Но для этого вам надо предварительно прокипятить используемую для приготовления льда воду при температуре 90 градусов Цельсия, чтобы весь воздух, содержащийся в воде улетучился и затем быстро её охладить.

Используйте наши советы по приготовлению талой воды и будьте здоровы!

С уважением,
к.х.н. О.В. Мосин