CASTLE.PRI.EE

Лавуазье объявил, что вода сложное вещество. Оно состоит только из водорода и кислорода (H₂O). Учёные (Николсон, Кавендиш и др.) проводили опыты по электрохимическому разложению воды. При электролизе воды вы¬делялись у одного электрода – кислород и кислота, у другого – водо¬род и щёлочь. Это вызывало сомнения в правильности формулы воды. Авторитет Лавуазье победил сомнения.

На данный момент известно 20 форм льда. Сюда входят три типа аморфного льда (низкой, высокой и очень высокой плотности) и более 17 кристаллических фаз. Учёные продолжают открывать новые формы льда. При этом, что он представляет из себя – загадка.

Лёд – растворитель

Учёные университета Умео провели исследование. Оно было опубликовано в PNAS. Было доказано, что лёд способен растворять железосодержащие минералы эффективнее, чем жидкая вода. Это открытие объясняет, почему многие арктические реки приобретают ржаво-оранжевый цвет.

Эксперименты показали, что при −10 °C лёд высвобождает больше железа, чем вода при +4 °C. Загадка – почему? В лаборатории в качестве модели использовали гетит (оксид железа). Циклы замерзания и оттаивания ускоряли его растворение. Присутствие органических кислот – ещё больше ускоряли процесс. При этом пресная и слабосолёная вода усиливала его, а морская – замедляла.

Учёные выяснили, когда вода кристаллизуется, то между льдинками остаются микроскопические карманы жидкости. В них вещества концентрируются. Среда становится кислой (кислота), и запускаются активные реакции даже при морозах до −30 °C.

Почему лёд скользкий?

Много лет учёные пытаются понять, почему это происходит. Сначала считали, что движение по льду нагревает верхний слой льда. Это приводит к тому, что на поверхности ледяных кристаллов возникает тонкая плёнка воды. Она обеспечивает скольжение. Нагревание вызывалось давлением объекта или трением соприкасающихся поверхностей.

Исследования с помощью инфракрасной камеры показали, что нагревание – отсутствует. Учёные выдвинули новую гипотезу. Диполи молекул замёрзшей воды в верхнем слое взаимодействуют с электростатическим полем соприкасающегося со льдом объекта. В точках соприкосновения сначала образуются места «холодной сварки». Они при движении разрушаются и превращают верхний слой ледяного кристалла в аморфную скользкую плёнку.

Учёные назвали это «холодное твёрдотельное таяние». Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters. Оно было осуществлено в виде компьютерной модели. Что происходит в действительности – загадка.

Альбедо

Отражающая способность снега и льда называется – альбедо. Этот коэффициент составляет приблизительно 0,34. Он показывает соотношение отражаемой энергии – к падающей. Например, в антарктических широтах разность между поглощаемой и излучаемой энергией составляет отрицательную величину. Благодаря этому эти области служат важнейшим средством для терморегуляции планеты в целом.

Испарение льда

Разные виды замороженной воды отличаются по своим свойствам. Например, снег отличается ото льда и любых поверхностных корок кристаллизации тем, что снежинки образуются при переходе испарённой воды в кристаллическую форму.

Можно наблюдать эффект, когда выпавшие снежинки, изначально имеющие красивую форму, через несколько дней превращаются в шарообразные крупинки. Причиной этого служит возгонка воды прямо с поверхности снежинок. Возгонка (сублимация) – это переход вещества из твёрдого состояния в газообразное без пребывания в жидком состоянии. Этому способствует то, что окружающий воздух имеет ещё возможности для насыщения парами воды. Иначе испарение бы прекратилось.

Лёд легче воды

Почему это происходит – загадка. Учёные высказали предположение, что это связано со строением его кристаллической решётки (как она выглядит – имеются лишь предположения).

Исходя из формулы воды, она должна быть легче льда. Зимой лёд должен тонуть. При замерзании прудов он должен постепенно нарастать со дна. В этом случае водяные растения и рыбы должны погибнуть зимой. Природа сотворила лёд легче воды. Возможно ошибка кроется в формуле воды?

Пытаясь спасти формулу воды англичане Бернал и Фаулер выдвинули гипотезу, что вода в жидком состоянии является псевдокристаллом. Согласно их модели, вода в жидком состоянии представляет собой смесь трёх компонент с различными структурами. Это структуры льда, кристаллического кварца и плотноупакованной структуры обычной воды.

Выдвигались и другие модели. Например, двухкомпонентная и пятикомпонентная. Кроме того, предлагалась, так называемая, однородная модель. Согласно ей, вода представляет собой непрерывную среду со сложным образом искривлёнными водородными связями. Все модели объясняют лишь малую часть загадок воды.

Лёд – жидкий

Учёные предположили, что лёд обладает определённой пластичностью. Это позволяет ему течь, когда к нему приложена определённая сила. Например, ледники постепенно начинают стекать в низины, когда на их поверхности накапливается большое количество снега. Скорость передвижения ледников может быть до сотен метров в год. Наблюдалась скорость 6 метров в сутки.

Учёные предположили, что имеется возможность пластической деформации льда. Она возникает при приложении определённого усилия. В таком случае начинается процесс деформации. Он похож на вязкое течение мёда. Иногда, такое течение превращается в быстрый сход ледника.

Лёд – полупроводник

Учёные Айртон, Перри, Джонстон исследовали электропроводность льда. Они выяснили, что электропроводность льда с понижением температуры спадает по экспоненциальному закону. Чем ниже температура, тем хуже лёд проводит ток.

Например, электропроводность металлов с понижением температуры обычно растёт. У полупроводников – падает. По типу температурной зависимости электропроводности лёд похож на полупроводники. Величина электропроводности льда лежит на границе области полупроводников и диэлектриков.

Почему лёд прозрачный?

В видимой области спектра коэффициент поглощения практически равен нулю, поэтому лёд прозрачен. Однако в инфракрасной и ультрафиолетовой областях коэффициент поглощения принимает очень большие значения.

В силу своего устройства человеческий глаз способен остро реагировать на электромагнитные волны видимой части спектра, длины которых близки к 0,55 мкм (5500 А). Если бы наш глаз мог воспринимать ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, то мы бы увидели лёд абсолютно черным.

Ледяная каша

В конце 1980-х годов американская лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (ice slurry). Она может свободно течь по трубам различного диаметра. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды.

С точки зрения теплотехники она представляет собой лёд. Он в 5-7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды без повреждения клеток. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Например, при остановке сердца – это время удлиняется в 3 раза (до 45 минут).

Краткое изложение статьи ресурса habr_com.

Комментарии запрещены.