Удивительная структура льда

С годами температура Земли понижалась. На определенном этапе эволюции Земли, температура воды была на 10-15°C выше теперешней. А когда температура снизилась до  3,8 °C, в первую очередь замерзала тяжёлая вода. Это означает, что лед сначала встраивает в свою кристаллическую решётку атомы дейтерия (Д-р Игнатов, 2010). При этом природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в кристаллическую решётку встраиваются молекулы воды, а примеси вытесняются в жидкость. Растущий кристалл льда, тем самым, всегда стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. В планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса - вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Кристаллическая структура льда напоминает структуру алмаза: каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра под углами, равными 109°28' (рис. 34). В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность. Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме NH4F) во льде крайне низкая. При плавлении льда его кристаллическая структура частично сохраняется в жидкой воде.          


Рис.  34. Структура льда.

В настоящее время известно 14 кристаллических модификаций воды, самая распространённая из которых – природный лёд I, имеет гексагональную структуру. Среди модификаций льда есть кристаллические и аморфные модификации, отличающиеся друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Большинство из них образуются при очень низких температурах от –150 0С до –170 0С и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды искажаются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия приближены к космическим и не встречаются на Земле (Таблица).

Таблица. 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.

 Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации, который распространён в природе в виде материкового, плавающего, подземного льда, а также в виде снега, инея и т.д. В отличие от природного льда льды II, III и V-й модификации могут существовать при очень низких температурах до —170°С. При нагревании до температуры —150°С образуется кубический лёд Ic. 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. 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 переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. В лабораторных экспериментах 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.

Значение льда для формирования и функционирования жизни трудно переоценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком в толще льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого на Земле.

Аналогично воде, кристалл льда способен хранить информацию. Группа ученых провела очень интересный эксперимент в Арктике. Было проведено зондирование во льду на глубине полкилометра. При этом отчётливо детектировались слои льда разных лет. Также был сделан изотопный анализ дейтерия и изотопов кислорода в составе Арктического льда. Согласно исследованиям, вода всегда успевала „запомнить” информацию соответствующего года. Оказалось, что самыми холодными были XV, конец XVII – го и начало XIX века. А самыми теплыми были 1550 и 1930 г.

Но самое удивительное в структуре льда заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США) (рис. 35). Вода в моделируемом эксперименте "помещалась" в нанотрубки диаметром от 1,35 до 1,90 нм. под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех экспериментах имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается.

 

Рис. 35. Общий вид структуры воды в нанотрубках (изображение New Scientist)