Какими свойствами обладает лед
Изучать законы природы и природные явления можно уже с ребенком трех лет. Дети дошкольного возраста любят проводить незамысловатые опыты, в результате которых могут получиться новые вещества или предметы. 
Объяснять свойства снега и льда можно в зимний период во время прогулки на улице. Лучше всего будет захватить с собой две прозрачные емкости, например, стаканы, чтобы положить в них для сравнения кусочки снега и льда. Так будет легче сравнить их свойства, отделив условно от окружающей среды.
Опыты
Чтобы определить свойства снега и льда, проведем с ребятами несколько опытов. Такого рода эксперименты уместно провести и родителям на прогулке с детьми, и воспитателям детских садов, и учителям начальных классов. Определять будем следующие свойства:
- цвет,
- вкус,
- запах,
- прозрачность,
- хрупкость,
- температуру.
Зачем это нужно детям?
Чтобы уметь различать природные явления, приучаться логически мыслить и делать выводы экспериментальным путем.
Проведем следующие опыты:
- В один стакан кладем кусочек льда, в другой – комочек снега и оставить их на время в теплом помещении.
- Сравнить снег и лед по цвету. Для этого используем кусочки белой и цветной бумаги.
- Сравнить на запах.
- Положить кусочек льда на ровную поверхность и ударить по нему, посмотреть, что с ним произойдет.
- Рассмотреть, что произошло со снего
- м и льдом в стаканах.
Исходя из проделанных опытов, вместе с детьми делаем соответствующие выводы.
Снег и лед имеют общие свойства: они без вкуса и при повышении температуры тают.
Однако есть и много различий: снег белый, а лед бесцветный, прозрачный; снег рыхлый, а лед хрупкий.
Итак, мы выделили свойства льда и снега. Теперь детям будет понятно отличие между этими двумя явлениями природы. Теперь можно подойти к тому, что снег и лед – это вода в твердом состоянии. При температуре 0 градусов капельки воды замерзают и превращаются в снежинки или град. Когда водяные пары поднимаются в небо, где температура гораздо ниже, они замерзают и становятся кристалликами льда. Постепенно кристаллики растут и превращаются в снежинки. Когда мы с вами идем по снегу, то лучики снежинок ломаются, и мы слышим скрип.
Снег можно еще сравнить с шубой. Предложите ребенку подумать, что общего между снегом и шубой. Под снегом температура выше, чем в окружающем воздухе. Именно поэтому растения зимой под снегом не гибнут.
Несмотря на то, что лед – это замерзшая вода, свойства воды и льда также будут иметь отличия. Так, можно попросить малыша заполнить водой пластиковую бутылку и рядом для сравнения положить кусочек льда. Делаем вывод, что вода способна принимать форму того сосуда, в который она помещена. Затем поместим наполненную водой бутылку в морозильную камеру и отметим первоначальный уровень воды. Когда вода замерзнет, мы увидим, что уровень льда значительно выше. Делаем следующий вывод: вода при замерзании расширяется. Перечисленные свойства воды применяют как в быту, так и в промышленном производстве. Так, с помощью замерзшей воды откалывают большие куски скальной породы. Можно сделать туфли менее тесными, если намочить их и заморозить на время.
Следующий опыт позволяет сравнить вес воды и льда. Поместите лед в воду: вы увидите, что лед в воде не тонет. Он гораздо легче. Именно поэтому айсберги в северных широтах плавают на поверхности океана и не тонут. Если бы это произошло, уровень воды в океане поднялся бы, и вода затопила бы все живое.
Выводы
- вода способна принимать форму сосуда, лед – твердое состояние воды.
- Лед легче воды.
- Вода при замерзании расширяется.
Мы познакомили малышей со свойствами обычной воды и льда, который встречается нам зимой на улицах. Однако обязательно следует упомянуть о том, что лед производят в промышленных целях. Особыми свойствами отличается сухой лед.
Несколько слов о сухом льде
Если в состав обычной замерзшей воды входит водород, то сухой лед вместо водорода содержит углерод. Свойства сухого льда уникальны. Он замерзает лишь при температуре аж -78 градусов, таять начинает уже при температуре – 50 градусов. Свойства сухого льда позволяют ему при таянии миновать состояние жидкости и сразу превратиться в пар. Как и обычный лед, сухой не имеет запаха.
Примеры интересных опытов с сухим льдом
Где применяют его свойства?
В нем удобно перевозить на дальние расстояния продукты и медикаменты, которые при этом долго не портятся. Несколько гранул такого льда могут потушить горящий бензин. При таянии сухой лед образует густой туман, так что его применяют для создания спецэффектов. Тающий сухой лед способен отпугнуть комаров и грызунов-вредителей.
Конечно, это еще далеко не все свойства, которые имеют вода, снег и лед. Но детям вполне будет достаточно этих знаний, чтобы ориентироваться в процессах окружающей среды. Главное, чтобы знания были получены интересным, опытным путем. Тогда они останутся с малышом на долгое время.
Как сделать разноцветный фруктовый лед?
У этого термина существуют и другие значения, см. Лёд (значения).
Лёд — вода в твёрдом агрегатном состоянии[2].
Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, которым свойственно иметь жидкую или газообразную форму при комнатной температуре; в частности, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.
Основные свойства водного льда[править | править код]
В настоящее время известны три аморфных разновидности и 17 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма на рисунке справа показывает, при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций (более полное описание см. ниже).
В природных условиях Земли вода образует кристаллы одной кристаллической модификации — гексагональной сингонии (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Å и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.
Кристаллическая структура льда Ih. Серыми пунктирными линиями показаны водородные связи.
Ажурная кристаллическая структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, меньше плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %[3]. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.
Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплотa плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды на 80 °C.
Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.
Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.
На Земле[править | править код]
Общие запасы льда на Земле около 30 млн км³. Основные запасы льда на Земле сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).
В океане[править | править код]
Вода в мировом океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе. Различают однолетние и многолетние льды. Морской лёд может быть неподвижным, если связан с сушей, или плавучим, то есть дрейфующим. В океане встречаются льды, отколовшиеся от ледников суши и спустившиеся в океан в результате абляции — айсберги.
В космосе[править | править код]
Имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы (например, на Марсе), их спутниках, на карликовых планетах и в ядрах комет.
Использование льда в технике[править | править код]
Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов американская лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (ice slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения[4]. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который 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 и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10—15 до 30—45 минут[4].
Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе «Ледяной остров».
Фазы льда[править | править код]
| Фаза | Характеристики[5][6] |
|---|---|
| Аморфный лёд | Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»). |
| Лёд Ih | Обычный гексагональный кристаллический лёд. Почти весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic. |
| Лёд Ic | Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза. Его получают при температуре в диапазоне от −133 °C до −123 °C, он остаётся устойчивым до −73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы. |
| Лёд II | Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III. |
| Лёд III | Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до −23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений. |
| Лёд IV | Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки. |
| Лёд V | Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлаждении воды до −20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями. |
| Лёд VI | Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлаждении воды до −3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация. |
| Лёд VII | Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки. |
| Лёд VIII | Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C. |
| Лёд IX | Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от −65 °C до −108 °C, стабилен при температуре ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда. |
| Лёд X | Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа. |
| Лёд XI | Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком. |
| Лёд XII | Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и при давлении 810 МПа. |
| Лёд XIII | Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов. |
| Лёд XIV | Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов. |
| Лёд XV | Псевдоромбическая кристаллическая разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до −143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа[7]. |
| Лёд XVI | Кристаллическая разновидность льда с наименьшей плотностью (0,81 г/см3)[8] среди всех экспериментально полученных форм льда. Имеет строение топологически эквивалентное полостной структуре КС-II (англ. sII) газовых гидратов. |
| Лёд XVII | Кристаллическая разновидность льда с меньшей кристаллографической плотностью (0,85 г/см3)[9], чем у других экспериментально полученных форм льда. Его структура, как и у льда XVI, сходна с клатратной структурой газовых гидратов. Получается при температуре 280 К и давлении ~ 400 МПа. Его номинальный состав (Н2О)2Н2 с тремя формульными единицами на элементарную ячейку. |
Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах от −173 °C до −133 °C показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры[10].
Льды Арктики[править | править код]
Дрейфующий лёд в Арктике
Лёд в период летней навигации
Плотный лёд
Ледяные поля
Снежницы на ледяном поле
Разлом льда
См. также[править | править код]
- Снег
- Сосулька
- Ледник
- Группа льда (минералогия)
- Газовые гидраты
- Технология перекачиваемого льда
- Журнал «Лёд и снег»
Примечания[править | править код]
- ↑ Петрушевский Ф. Ф., Гершун А. Л. Лед, в физике // Энциклопедический словарь — СПб.: Брокгауз — Ефрон, 1896. — Т. XVII. — С. 471—473.
- ↑ РМГ 75-2014. Измерения влажности веществ. Термины и определения, 2015, с. 1.
- ↑ Замерзающая вода выдавливает дно металлической ёмкости (видео)
- ↑ 1 2 Хирурги наполнят тела пациентов текущим льдом
- ↑ Фазы льда (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 5 февраля 2009. Архивировано 25 марта 2009 года.
- ↑ Ледяные узоры высокого давления (недоступная ссылка). Дата обращения 6 февраля 2009. Архивировано 18 февраля 2009 года.
- ↑ Впервые получен лёд XV
- ↑ Andrzej Falenty, Thomas C. Hansen & Werner F. Kuhs. Formation and properties of ice XVI obtained by emptying a type sII clathrate hydrate // Nature. — Vol. 516, P. 231—233 (11 December 2014) — Falenty Andrzej, Hansen Thomas C., Kuhs Werner F. Formation and properties of ice XVI obtained by emptying a type sII clathrate hydrate // Nature. — 2014. — Декабрь (т. 516, № 7530). — С. 231—233. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/nature14014. [исправить]
- ↑ Timothy A. Strobel, Maddury Somayazulu, Stanislav V. Sinogeikin, Przemyslaw Dera & Russell J. Hemley. Hydrogen-stuffed, quartz-like water ice // Journal of the American Chemical Society[en]. — Vol. 138. — P. 13786-13789 (19 August 2016) — Strobel Timothy A., Somayazulu Maddury, Sinogeikin Stanislav V., Dera Przemyslaw, Hemley Russell J. Hydrogen-Stuffed, Quartz-like Water Ice // Journal of the American Chemical Society. — 2016. — 18 октября (т. 138, № 42). — С. 13786—13789. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/jacs.6b06986. [исправить].
- ↑ A one-dimensional ice structure built from pentagons. Nature Materials. 8 March 2009 (англ.)
Литература[править | править код]
- Маэно Л. Наука о льде. М.: Мир, 1988.
- Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 75-2014. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения влажности веществ. Термины и определения. — М.: Стандартинформ, 2015. — iv + 16 с.
- Шавлов А. В. Лёд при структурных превращениях. Новосибирск: Наука, 1996.
Ссылки[править | править код]
- Вода, лед и снег. Физические, теплофизические, химические свойства. Инженерный справочник.
- Лёд Европы воссоздали на Земле
- Кристаллы снега и льда
- Арабаджи В. Загадки простой воды. Сооружения из льда
- Шавлов А. В., Рябцева А. А., Шавлова В. А. «Сверхскользкий лёд для конькобежного спорта» (2007)
Сегодня мы будем говорить про свойства снега и льда. Стоит уточнить, что лед образуются не только из воды. Кроме водяного льда бывает аммиачный и метановый. Не так давно ученые изобрели сухой лед. Свойства его уникальны, их рассмотрим чуть позже. Он образуется при замораживании углекислоты. Свое название сухой лёд получил благодаря тому, что при таянии он не оставляет луж. Находящийся в его составе углекислый газ тут же испаряется в воздух из замороженного состояния.
Определение льда
Прежде всего, подробнее рассмотрим лед, который получают из воды. Внутри него правильная кристаллическая решетка. Лед – это распространенный природный минерал, получаемый во время замерзания воды. Одна молекула этой жидкости связывается с четырьмя ближайшими. Ученые заметили, что такое внутреннее строение присуще различным драгоценным камням и даже минералам. Например, такое строение имеет алмаз, турмалин, кварц, корунд, берилл и другие. Молекулы удерживаются на расстоянии кристаллической решеткой. Эти свойства воды и льда говорят о том, что плотность такого льда будет меньше плотности воды, благодаря которой он образовался. Поэтому лед плавает на поверхности воды и не тонет в ней.
Миллионы квадратных километров льда
А вы знаете, сколько льда на нашей планете? Согласно последним исследованиям ученых, на планете Земля имеется примерно 30 миллионов квадратных километров замороженной воды. Как вы уже догадались, основная масса этого природного минерала находится на полярных шапках. В некоторых местах толщина ледяного покрова достигает 4 км.
Как получить лед
Сделать лед совсем несложно. Этот процесс не составит большого труда, как и не требует особых навыков. Для этого необходима низкая температура воды. Это единственное неизменное условие процесса образования льда. Вода замерзнет тогда, когда ваш термометр покажет температуру ниже 0 градусов по Цельсию. В воде начинается процесс кристаллизации благодаря низким температурам. Молекулы ее строятся в интересную упорядоченную структуру. Этот процесс называют образованием кристаллической решетки. Он одинаков и в океане, и в луже, и даже в морозильной камере.
Исследования процесса замерзания
Проводя исследование на тему замерзания воды, ученые пришли к выводу, что кристаллическая решетка выстраивается в верхних слоях воды. На поверхности начинают образовываться микроскопические ледяные палочки. Чуть позже между собой они смерзаются. Благодаря этому образуется тончайшая пленка на поверхности воды. Крупные водоемы замерзают намного дольше по сравнению с неподвижной водой. Это связано с тем, что ветер колышет и колеблет поверхность озера, пруда или реки.
Ледяные блины
Ученые провели ещё одно наблюдение. Если при низкой температуре продолжается волнение, то тончайшие пленки собираются в блины диаметром около 30 см. Далее они смерзаются в один слой, толщина которого не меньше 10 см. На ледяные блины сверху и снизу намерзает новый слой льда. Так образуется толстый и прочный ледяной покров. Его прочность зависит от видов: самый прозрачный лед будет в несколько раз прочнее белого льда. Экологи заметили, что 5-сантиметровый лёд выдерживает вес взрослого человека. Слой в 10 см способен выдержать легковую машину, но следует помнить, что выходить на лед в осеннее и весеннее время очень опасно.
Свойства снега и льда
Физики и химики долгое время изучали свойства льда и воды. Самое известное, а также важное свойство льда для человека – это его способность легко таять уже при нулевой температуре. Но для науки важны и другие физические свойства льда:
- лед обладает прозрачностью, поэтому он хорошо пропускает солнечный свет;
- бесцветность — лед не имеет цвета, но его с легкостью можно покрасить при помощи цветных добавок;
- твердость – ледяные массы прекрасно сохраняют форму без каких-либо наружных оболочек;
- текучесть – это частное свойство льда, присущее минералу только в некоторых случаях;
- хрупкость – кусок льда можно с легкостью расколоть, не прикладывая больших усилий;
- спайность – лед с легкостью раскалывается в тех местах, где он сросся по кристаллографической линии.
Лед: свойства вытеснения и чистоты
По своему составу у льда высокая степень чистоты, так как кристаллическая решетка не оставляет свободного места различным посторонним молекулам. Когда вода замерзает, то она вытесняет различные примеси, которые в ней когда-то растворились. Таким же образом можно получить очищенную воду в домашних условиях.
Но некоторые вещества способны затормаживать процесс замерзания воды. Например, соль в морской воде. Лёд в море образуется только при очень низких температурах. Удивительно, но процесс замерзания воды каждый год способен поддерживать самоочищение от разных примесей в течение многих миллионов лет подряд.
Секреты сухого льда
Особенности этого льда в том, что в своём составе он имеет углерод. Такой лед образуется только при температуре -78 градусов, но тает он уже при -50 градусах. Сухой лед, свойства которого позволяют пропустить стадию жидкостей, при нагревании сразу образуется пар. Сухой лед, как и его собрат – водяной, не имеет запаха.
А вы знаете, где применяют сухой лед? Благодаря его свойствам, этот минерал используют при транспортировке продуктов питания и медикаментов на дальние расстояния. А гранулы этого льда способны потушить воспламенение бензина. Ещё, когда сухой лед тает, он образует густой туман, поэтому его применяют на съемочных площадках для создания спецэффектов. Помимо всего перечисленного, сухой лед можно брать с собой в поход и в лес. Ведь когда он тает, то отпугивает комаров, различных вредителей и грызунов.
Что касается свойств снега, то эту удивительную красоту мы можем наблюдать каждую зиму. Ведь каждая снежинка имеет форму шестигранника — это неизменно. Но помимо шестиугольной формы, снежинки могут выглядеть по-разному. На формирование каждой из них влияет влажность воздуха, атмосферное давление и другие природные факторы.
Свойства воды, снега, льда удивительны. Важно знать ещё несколько свойств воды. Например, она способна принимать форму сосуда, в который ее наливают. При замерзании вода расширяется, а также у нее есть память. Она способна запоминать окружающую энергетику, а при замерзании она «сбрасывает» информацию, которую в себя впитала.
Мы рассмотрели природный минерал – лед: свойства и его качества. Продолжайте изучать науку, это очень важно и полезно!