Структура и формы льда

Структура и формы льда. Вода при охлаждении в нормальных условиях ниже 0о С кристаллизируется, образуя лед, плотность которого меньше, а объем почти на 10 больше объема исходной воды. Охлаждаясь, вода ведет себя как многие другие соединения понемногу уплотняется-уменьшает свой удельный объем.

Но при 4 оС точнее, при 3,98 оС наступает кризисное состояние при дальнейшем понижении температуры объем воды уже не уменьшается, а увеличивается. С этого момента начинается упорядочение взаимного расположения молекул, складывается характерная для льда гексагональная кристаллическая структура.

Каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими. Это приводит к тому, что в фазе льда образуется ажурная конструкция с каналами между фиксированными молекулами воды. В водных растворах некоторых органических веществ вокруг молекул примесей возникают упорядоченные группы водных молекул своеобразные зоны жидкого льда, имеющие кубическую структуру, которая отличается большой рыхлостью по сравнению с гексагональной.

Появление такого льда вызывает значительное расширение всей замерзшей массы. При появлении льда разрушаются связи не только дальнего, но и ближнего порядка. Так, при 0 о С 9- 15 молекул Н2О утрачивают связи с соединениями, в результате увеличивается подвижность части молекул и они погружаются в те полости, которыми богата ажурная структура льда. Этим объясняется сжатие льда при таянии и большая по сравнению с ним плотность образующейся воды. При переходе лед-вода плотность возрастает примерно на 10, и можно считать, что эта величина определенным образом характеризует количество молекул Н2О, попавших в полости. В твердой воде лед атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами.

Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы. Характерной особенностью структуры льда является то, что в ней молекулы упакованы рыхло.

Если изобразить молекулу шаром, то при плотневшей упаковке шаров вокруг каждого из них будет 12 соседей. Во льду же их всего четыре.

Если бы молекулы воды во льду были плотно упакованы, то его плотность составляла бы 2,0 гсм3, тогда как на самом деле она равна 0,92 гсм3. Казалось бы, рыхлость упаковки частиц, то есть наличие в ней больших объемов не заполненного молекулами пространства, должна приводить к неустойчивости структуры. Например, можно было бы ожидать, что при сжатии льда внешним давлением сетка водородных связей будет разрушаться, пустоты структуры будут с легкостью схлопываться, заполняясь молекулами, вырванными из этой сетки.

Но не тут-то было На самом деле сетка водородных связей не разрушается, а перестраивается. При повышении давления обычный гексагональный лед меняет свою структуру. Сейчас известно десять форм льда, устойчивых при высоких давлениях. И у всех сохраняется четырежды координированная сетка водородных связей, то есть каждая молекула воды сохраняет в них все свои четыре водородные связи. I обычный лед, существующий при давлении до 2200 атм при дальнейшем увеличении давления переходит в II II лед с уменьшением объема на 18, тонет в воде, очень неустойчив и легко переходит в III III также тяжелее воды и может непосредственно быть получен из льда I IV легче воды, существует при небольших давлениях и температуре немного ниже 0 С, неустойчив и легко переходит в лед I V может существовать при давлениях от 3600 до 6300 атм он плотнее льда III, при повышении давления с треском мгновенно превращается в лед VI VI плотнее льда V, при давлении около 21 000 атм. имеет температуру 76 С может быть получен непосредственно воды при температуре 60 С и давлении 16 500 атм. Структура льда, у которой все углы между соседними водородными связями равны тетраэдрическому углу, обладает минимальной плотностью наибольшей рыхлостью, возможной для четырежды координированных сеток.

При деформации такой сетки плотность неизбежно увеличивается, так что, например, для льда III она составляет 1,15 гсм3, то есть на 25 больше, чем во льду. Итак, при внешних воздействиях повышении давления сетка водородных связей во льду не разрушается, а перестраивается, сохраняя свою четверную координацию.

Более выгодным оказывается не разорвать некоторые водородные связи, а сохранить их все, лишь деформируя сетку, несколько изменяя углы между связями.

В этой удивительной структурной устойчивости состоит важнейшее свойство сеток водородных связей между молекулами воды. 6.