Странности простого льда

Казалось бы, что может быть обычнее льда? В средней полосе страны, где зима длится несколько месяцев, на севере, где зима продолжается большую часть года, да и в южных горных районах снег и лед - довольно привычные компоненты ландшафта.

Между тем необычен даже процесс образования льда. Посмотрим, например, как изменяется объем воды при переходе из жидкого состояния в твердое, то есть при замерзании. Это изменение происходит совсем не так, как у других известных нам веществ. Все они, кроме висмута и галлия, сжимаются, сокращают объем по мере охлаждения. При затвердевании их объем значительно уменьшается по сравнению с такой же массой расплава.

Плотность их в твердом состоянии соответственно становится выше, чем в жидком.

При замерзании воды все происходит наоборот - плотность льда уменьшается, а объем увеличивается на 10 % по сравнению с объемом, занимаемым той же массой воды.

Издавна люди знали это свойство льда. Не умея его объяснить, они тем не менее успешно им пользовались. Могучие постройки на севере Европы возводились из каменных монолитов, весящих сотни килограммов. Чтобы изготовить такие блоки, в скалах пробивали сравнительно неглубокие пазы или выбирали подходящие трещины. Перед наступлением зимних холодов их заливали водой, и образовавшийся лед выполнял роль современной взрывчатки. Так терпеливо, год за годом, люди дробили крепчайшие скалы, получали строительный материал, используя расширение воды при замерзании.

Теперь наука может объяснить причину этого явления.

Как видно из рисунка 7, изменение объема воды с понижением температуры идет очень своеобразно. Сначала вода ведет себя, как и многие другие жидкости: понемногу уплотняясь, уменьшает свой объем. Это наблюдается вплоть до 4 °С (точнее - до 3,98 °С). При этой температуре как будто бы наступает кризис. Дальнейшее охлаждение уже не уменьшает, а постепенно увеличивает объем. Плавность резко прерывается при О °С, кривая переходит в отвесную прямую, объем скачком возрастает почти на 10 %. Вода превращается в лед.

Рис. 7. Зависимость удельного объема льда и воды от температуры

Очевидно, при 3,98 °С тепловые помехи в образовании ассоциатов начинают ослабевать настолько, что появляется возможность некоторой структурной перестройки воды в льдоподобные каркасы. Молекулы взаимно упорядочиваются, местами складывается характерная для льда гексагональная структура^*.

^* (Гексагональная структура кристалла - строгая периодичность пространственного повторения структуры шестигранника, в узловых точках которого располагаются атомы, ионы или молекулы.)

Эти процессы в жидкой воде как бы подготавливают полную структурную перестройку, и при О °С она наступает: струящаяся вода становится льдом - кристаллическим твердым телом. Каждая молекула получает возможность соединиться водородными связями с четырьмя соседними. Поэтому в фазе льда вода образует ажурную конструкцию с "каналами" между фиксированными группами молекул воды.

Вероятно, со структурной перестройкой связано и еще одно своеобразное свойство воды - резкий скачок теплоемкости при фазовом переходе "вода - лед". Вода при 0°С имеет удельную теплоемкость 1,009. Удельная теплоемкость превратившейся в лед воды при этой же температуре вдвое ниже.

Благодаря особенности структурного перехода "вода - лед", в интервале 3,98 - 0 °С природные водоемы достаточной глубины обычно не промерзают до дна. С наступлением зимних холодов верхние слои воды, охладившись примерно до +4 °С и достигнув максимальной плотности, опускаются на дно водоема. Эти слои несут в глубины кислород и помогают равномерному распределению

питательных примесей. На их место к поверхности поднимаются более теплые массы воды, уплотняются, остывая при контакте с приповерхностным воздухом, и, охладившись до +4 °С, в свою очередь опускаются вглубь. Перемешивание идет до тех пор, пока циркуляция не исчерпается и водоем не покроется плавающим слоем льда. Лед надежно предохраняет глубины от сплошного промерзания - ведь его теплопроводность намного меньше, чем воды.