Лёд, который не тает

Читал, что американские ученые создали лед, который не тает, кто у нас в России занимается этим направлением, а то промышленное холодильное оборудование очень дорогое и энергии потребляет многовато. Ученые, создайте дешевый лёд!!


Да, действительно. В настоящее время получены 14 различных структурных модификаций льда с различными свойствами. Среди них есть кристаллические (их большинство) и аморфные модификации, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и физическими свойствами (темературой плавления, кристаллизации и др.). Правда, все, кроме обычного льда I, кристаллизующего в гексагональной решетке, образуются в условиях, близких к космическим — при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия на Земле не встречаются. Но их можно моделировать в современных лабораториях. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в огромных количествах, снег и лед образуют особые структуры с принципиально иными, нежели у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Ледники, ледяные покровы, вечная мерзлота, сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: даже те, кто никогда не видел снега, чувствуют на себе дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, например, в виде многолетних колебаний уровня Мирового океана. Лед имеет столь большое значение для облика нашей планеты и комфортного обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду — криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.

 Табл. 1. — Некоторые свойства льда I

Свойство

Значение

Примечание

Теплоемкость, кал/(г··°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

9,1·10—5 (0°C)

 

Теплопроводность, кал/(см сек··°C)

4,99·10—3

 

Показатель преломления:

  для обыкновенного луча

  для необыкновенного луча

 

1,309 (—3°C)

1,3104 (—3°C)

 

Удельная электрическая проводимость, ом—1·см—1

 

10—9 (0°C)

Кажущаяся энергия активации 11ккал/моль

Поверхностная электропроводность, ом—1

 

10—10 (—11°C)

Кажущаяся энергия активации 32ккал/моль

Модуль Юнга, дин/см

9·1010 (—5°C)

Поликристаллич. лёд

Сопротивление, Мн/м2 :

  раздавливанию

  разрыву

  срезу

 

2,5

1,11

0,57

 

Поликристаллический лёд

Поликристаллический лёд

Поликристаллический лёд

Средняя эффективная вязкость, пз

1014

Поликристаллический лёд

Показатель степени степенного закона течения

 

3

 

Энергия активации при деформировании и механической релаксации, ккал/моль

 

 

11,44—21,3

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

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

Лёд II, III и V-й модификации длительное время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превышает —170°С. При нагревании приблизительно до —150°С лёд превращаются в кубический лёд Ic.

При конденсации паров воды на более холодной подложке образуется аморфный лёд. Обе эти формы льда могут самопроизвольно переходить в гексагональный лёд, причём тем скорее, чем выше температура.

Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он образуется гораздо легче и особенно стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода.

Кривая плавления льда V и VII исследована до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С.

Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII.

Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму.

Табл. 3. — Некоторые данные о структурах модификаций льда

Модифи
кация

Сингония

Фёдоровская группа

Длины водородных связей,

Углы О—О—О в тетраэдрах

I

Ic

II

III

V

VI

VII

VIII

IX

Гексагональная

Кубическая

Тригональная

Тетрагональная

Моноклинная

Тетрагональная

Кубическая

Кубическая

Тетрагональная

P63/mmc

F43m

R3

P41212

A2/a

P42/nmc

Im3m

Im3m

P41212

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

  Примечание. 1 A=10-10 м.

Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам чистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Этого удалось достичь с помощью катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.

К.х.н. О.В. Мосин