Когда жидкая вода превращается в лед? Ответ очевиден – при температуре ниже нуля градусов по Цельсию. А как на самом деле? Сначала необходимо сказать, что для превращения жидкой воды в лед при нормальном давлении температуры ниже нуля недостаточно. Переход воды в твердое состояние происходит только при наличии в ней центров (ядер) кристаллизации, в качестве которых могут выступать взвешенные частицы примесей и солей, находящиеся в воде, кристаллики льда или снега, пузырьки воздуха и т.п.
Если охлаждать очень чистую воду медленно, то конденсироваться кристаллам льда будет не на чем и лед образовываться не будет, теоретически воду можно охладить до температуры −48.3 °C и такую воду называют переохлажденной. Так как при замерзании водоёмов происходит их самоочистка от центров кристаллизации и примесей, то переохлажденные состояния воды часто имеют место и в естественной среде. В частности, это явление приводит к формированию донного льда. Переохладить воду можно и в домашних условиях, если поместить чистую воду из магазина в морозилку домашнего холодильника. Роликов на эту тему в Интернете предостаточно.
При нормальном давлении возможно получить лед с двумя типами кристаллических решеток – гексагональной и кубической. Тот самый «обычный» лед, который получается при охлаждении жидкой воды ниже нуля градусов имеет гексагональную кристаллическую решетку, а вот кубический лед в природе образуется крайне редко в верхних слоях атмосферы, при температуре гораздо ниже нуля градусов. Именно наличие в атмосфере кристалликов кубического льда может привести к появлению в небе такого оптического явления, как солнечное гало в виде креста.
Искусственно кубический лед можно получить путем моментального замораживания воды, для чего конденсируют пар на охлажденной от минус 80 до минус 110°С металлической поверхности при нормальном атмосферном давлении. Причем в «чистом» виде его получить невозможно, всегда какой-то процент гексагонального льда будет присутствовать. Почти весь лёд на Земле относится к гексагональному льду, и лишь малая часть к кубическому, но есть еще одна разновидность льда, которую обнаружили в Антарктике, но об этом ниже.
Существуют следующие модификации льда, зависящие от температуры и давления:
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 II - тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда гексагонального льда при сжатии и температурах 190—210 K. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд III - тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до 250 K 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.
Лёд V - моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлаждении воды до 253 K и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лёд VI - метрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлаждении воды до 270 K и давлении 1,1 ГПа.
Лёд VII - кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода, 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 208 K до 165 K, стабилен при температуре ниже 140 K 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 77 K до примерно 183 K и при давлении 810 МПа.
Лёд XIII - моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже 130 K и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIV - ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже 118 K и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XV -разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путем медленного охлаждения льда VI примерно до 130 K и давлении 0,8-1,5 Гпа.
Лёд XVI - кристаллическая разновидность льда с наименьшей плотностью (0,81 г/см3) среди всех экспериментально полученных форм льда.
Лёд XVII - кристаллическая разновидность льда с меньшей кристаллографической плотностью (0,85 г/см3), чем у других экспериментально полученных форм льда. Его структура сходна со льдом XVI. Получается при температуре 280 К и давлении ~ 400 МПа.
Лёд XVIII - так же известный как "суперионная вода" или «ионный лед», представляет собой фазу воды, которая существует при чрезвычайно высоких температурах и давлениях при которых молекулы воды распадаются на ионы кислорода и водорода. Ионы кислорода кристаллизуются и формируют равномерно распределенную решетку, а ионы водорода свободно плавают по образовавшейся решетке из кислорода.
Лёд XIX - это вторая упорядоченная форма льда VI, которая возникает при медленном охлаждении воды до температуры 100 К при давлении около 2 ГПа.
Какие-то модификации льда можно получить в лаборатории, какие-то встречаются на Земле, а какие-то в космосе и на других планетах Солнечной системы. Помимо гексагонального и кубического льда на Земле существует еще одна модификация льда при нормальном давлении и вообще при давлении менее 1000 атмосфер. Это лёд XI с ромбической (также называемой орторомбической) решёткой с упорядоченным расположением протонов, который образуется из обычного льда при температурах ниже −36 °C. Процесс образования льда XI идёт крайне медленно: он был обнаружен в Антарктике в слоях льда возрастом не менее 100 лет.
Наконец, суперионный лёд принципиально отличается от всех описанных выше. Будучи твёрдым материалом, он проявляет некоторые свойства жидкости, в частности, являясь электролитом. Этот лед черного цвета и именно из-за него, как предполагают ученые, направления магнитных полей планет Уран и Нептун не совпадают с их осями вращения, и более того, магнитные оси не проходят через центры планет.
Вот такой не простой ответ на простой вопрос.
