Лёд — материал с характером. Он одновременно твёрдый и коварно скользкий: стоит сделать шаг — и ботинки вдруг теряют сцепление. Откуда берётся эта скользкость? Короткий ответ: из-за особого поведения молекул воды на поверхности льда и роли водородных связей. Давайте разберёмся простым языком, но всё по науке.
Начало истории: молекула воды
Молекула воды — это два атома водорода и один атом кислорода (H₂O), расположенные под углом друг к другу ~104,5° (он не строго фиксирован, но близок к этой величине).
У такой «галочки» распределение электрического заряда неравномерно: у кислорода — небольшой «минус», у атомов водорода — «плюс». Говорят, что молекула воды полярна.
Полярность позволяет соседним молекулам, притягиваться друг к другу, как магнитам. Кислород одной молекулы притягивается к водороду из другой молекулы. Такое поведение учёные называют водородными связями.
Вопрос знатокам: Как называются связи внутри молекулы воды? Они ведь не водородные?
Как устроен лёд
Хорошо, мы узнали, из чего состоит молекула воды. Но важно ли это для понимания структуры льда?
Да, это решающе важно!
Как уже было сказано, молекулы воды за счёт своей структуры образуют друг с другом водородные связи. Так, одна молекула воды стремится образовать водородные связи с четырьмя соседями. Смотрите картинки ниже 👇
Но почему они притягиваются именно таким образом? — Отличный вопрос!
Во-первых, как мы узнали, молекула воды уголковая, поэтому кислород обычно принимает именно по одному водороду от соседних молекул: кислород может связаться и с двумя водородами из одной соседней молекулы. Однако такие связи геометрически невыгодны и получаются слабыми (бифуркационные), они легко разрываются, и в итоге получается именно такое расположение (конфигурация), как на рисунке выше.
Во-вторых, если присмотреться к изображению выше, то угол, который образует кислород с водородными связями, на вид, схож с углом в молекуле воды. И это не случайно. Дело в том, что «посадочные места» для соседей у кислорода в пространстве образуют треугольную пирамиду (в научном смысле — практически правильный тетраэдр)!
Пока вода жидкая, молекулы H₂O перемещаются очень быстро и сложно увидеть какую-то определённую структуру. Но с уменьшением температуры молекулы начинают двигаться всё медленнее и медленнее, а при 0 °C вода и вовсе замерзает, превращаясь в лёд. __________________________________________________________________________________________
Важно!
Замерзание воды не означает, что молекулы перестали двигаться, это не так. Но их движение существенно замедлилось. 🏃♀️➡️➡️🚶♀️➡️
__________________________________________________________________________________________
Молекулы воды занимают определённые места, образуя тетраэдрические структуры. Принято говорить, что геометрия этих связей тяготеет к пирамидальной (тетраэдрической). Отсюда во льду рождается рыхлый каркас с пустотами, именно поэтому плотность льда меньше плотности воды и лёд плавает на её поверхности.
Поверхностный «секрет»: предплавленный слой
До этого момента мы представляли лёд как структуру бесконечно простирающуюся в пространстве, даже если на изображении она (структура) казалась нам конечной. Однако в реальности любая структура конечна, имеет свои границы.
Но как будут выглядеть эти границы? Давайте рассмотрим молекулы, находящиеся на границе. Как они себя чувствуют?
А чувствуют они себя следующим образом, изнутри льда на них «давят» электростатические силы: притяжение, отталкивание; квантовые эффекты и так далее...
Поэтому граничные молекулы, «видя» всё это, берут, да и выходят за пределы кристалла льда, таким образом граница льда перестраивается и её структура отличается от той, которая находится внутри кристалла.
Иными словами можно сказать 👇 __________________________________________________________________________________________
«из-за энергетически невыгодной координации часть молекул уходит из узлов решётки». Смотрите рисунок ниже 👇
__________________________________________________________________________________________
Автолюбители сразу нарекут такие молекулы «обочечниками», ведь и правда, ситуация схожа, вместо того, чтобы быть со всеми, стоять в обусловленном порядке молекулы «обочечники» выходят за границы дороги (кристалла) и действуют на своё усмотрение.
В 2019 году ребята из Европы и Японии провели масштабное исследование этого вопроса.
Они не только подтвердили наличие квази-жидкого слоя, но и провели моделирование на атомарном уровне. По их данным квази-жидкий слой начинает образовываться уже при −90 °C , верхние молекулы воды, связанные с тремя водородными связями (их не четыре, так как эти молекулы на границе), разрывают одну из водородных связей и выходят из слоя льда на поверхность. Затем, когда верхние молекулы «отдрейфуют» от своих мест, выходят и более низкие молекулы, ведь верхние молекулы уже не мешают. Такой этап наступает примерно при −16 °C, при этом разрушение поверхности льда происходит не постепенно, а послойно - слой за слоем.
Ну а апофеоз наступает, когда температура достигает −2 °C, на поверхности льда появляются более сложные структуры - квази-жидкие капли и квази-жидкие плёнки воды (в статье QL-droplet и QL-film соответственно).
__________________________________________________________________________________________Важно!
Стоит уточнить: в данном случае характеристика «квази-жидкий» не просто для красного словца. Вязкость этих квази-жидких структур значительно выше, чем у обычной жидкой воды🚰:
капли 💦 имеют вязкость в 20 раз выше, а плёнки — в 200 раз выше!🎞️ Из-за меньшей толщины плёнки они сильнее связаны с кристаллической поверхностью льда, что и объясняет их более высокую вязкость по сравнению с каплями.
__________________________________________________________________________________________
При этом авторы показывают, что образование квази-жидкого слоя происходит всегда, тогда как квази-жидкие капли и плёнки возникают не при любых условиях, а при неравновесных условиях, когда воздух либо слишком влажный, либо слишком сухой относительно равновесных условий. А равновесие это когда сколько молекул воды испаряется со льда, столько же обратно на него конденсируется.
Если использовать аналогию, то обычный квази-жидкий слой при низких температурах похож на легкую сырость, равномерно покрывающую стекло, в то время как квази-жидкие капли и плёнки при −2 °C подобны густому липкому сиропу, который собирается в отдельные лужицы и полоски только тогда, когда в помещении слишком влажно или слишком сухо.
Почему именно водородные связи — «звёзды» этой истории?
Если бы у воды не было водородных связей, не было бы и уникального баланса: лёд твёрдый, но поверхность — живая и подвижная. Водородная связь — идеальная «середина»: достаточно прочная, чтобы держать кристалл, и достаточно «ломкая» на границе, чтобы создавать смазку для нашего скольжения (падения 🤬🤬🤬!). В этом парадокс и красота льда.
Резюмируя:
Лёд скользкий, потому что на его поверхности образуется разупорядоченный слой, состоящий из молекул воды (H₂O).
Поверхностные молекулы теряют часть водородных связей и становятся подвижнее: они «мечутся», как люди на распродажах в поисках лучшей цены. В результате прямо на поверхности образуется ультратонкий, очень подвижный слой — его называют «предплавлённым» или квази-жидким. Его образование начинается при ~−90 °C и заканчивается с плавлением льда.
Спасибо вам за то, что прочитали статью!