Плотность льда и её свойства¶

Плотность льда — физическая величина, показывающая массу льда в единице объёма; при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °C составляет около 916,7 кг/м³ (0,9167 г/см³). Это значение примерно на 8,3 % меньше плотности жидкой воды при той же температуре (999,8 кг/м³), из-за чего лёд не тонет, а плавает на её поверхности. Аномально низкая плотность твёрдой фазы по сравнению с жидкой отличает воду от большинства других веществ и имеет ключевое значение для природы Земли.

¶Физическая природа

Плотность льда определяется кристаллической структурой и типом химической связи. Молекула воды H₂O электрически нейтральна, но обладает сильным дипольным моментом: атомы кислорода несут частичный отрицательный заряд, а атомы водорода — положительный. В кристалле льда каждая молекула связана водородными связями с четырьмя соседними, образуя тетраэдрическую сетку. Такая ажурная решётка занимает больший объём, чем плотно упакованные молекулы жидкости, поэтому при замерзании вода расширяется, а плотность падает.

Водородная связь слабее ковалентной (энергия порядка 20 кДж/моль против 460 кДж/моль в молекуле H₂O), но именно она задаёт рыхлую гексагональную структуру обычного льда. Расстояние между центрами соседних молекул в решётке около 0,276 нм, а координационное число равно 4.

¶Зависимость от температуры

Плотность льда не постоянна: при охлаждении кристалл сжимается, и плотность растёт.

При дальнейшем сильном охлаждении рост замедляется, а тепловое расширение льда остаётся положительным вплоть до низких температур — в отличие от воды, у которой при нагреве от 0 до 4 °C плотность тоже растёт (эта аномалия также связана с водородными связями).

¶Полиморфные модификации

Обычный лёд, образующийся в природе, называют льдом Ih (гексагональная модификация). При высоких давлениях и низких температурах вода образует не менее 18 кристаллических фаз, различающихся плотностью:

• Лёд Ic — кубическая разновидность, близкая по плотности к Ih, образуется при осаждении пара.
• Лёд II и III — возникают при давлениях порядка 200–300 МПа, плотность выше 1100 кг/м³.
• Лёд VI и VII — плотность около 1300–1700 кг/м³, устойчивы при давлениях в гигапаскали.
• Лёд X — высокоплотная фаза (до 2500 кг/м³), предположительно существующая в недрах ледяных планет.

Рост плотности при сжатии объясняется перестройкой решётки: водородные связи деформируются, молекулы упаковываются плотнее.

¶Плотность и плавучесть

Из-за меньшей плотности лёд вытесняет объём воды, масса которой равна его собственной массе. Доля подводной части айсберга составляет примерно 90 % от общего объёма, надводной — около 10 %. Это соотношение следует из закона Архимеда и отношения плотностей (916,7 / 999,8 ≈ 0,917). Именно поэтому льдины и айсберги плавают, а водоёмы замерзают сверху вниз: лёд образуется на поверхности и защищает нижележащие слои от дальнейшего охлаждения.

¶Значение в природе и технике

Плотность льда определяет ряд природных и хозяйственных явлений:

• Стратификация водоёмов. Летом более плотная холодная вода опускается вниз; зимой лёд остаётся на поверхности, а под ним сохраняется вода с температурой около 4 °C, что позволяет выживать водным организмам.
• Расширение при замерзании. Увеличение объёма примерно на 9 % при переходе воды в лёд создаёт давление до десятков мегапаскалей, разрушающее горные породы (морозное выветривание), трубы и дорожное покрытие.
• Судоходство и ледоколы. Знание плотности и прочности льда необходимо для расчёта ледокольных качеств судов и оценки ледовой нагрузки на морские платформы.
• Криосфера Земли. Ледники, морской лёд и снег (плотность 100–500 кг/м³ в зависимости от плотности упаковки) влияют на альбедо планеты и уровень Мирового океана.

Плотность морского льда ниже, чем у пресного, — около 900–920 кг/м³, поскольку при замерзании в кристаллическую решётку включаются пузырьки воздуха и рассол. Это ещё сильнее увеличивает плавучесть морских льдов.

¶Методы измерения

Плотность льда определяют несколькими способами:

1. Гидростатическое взвешивание — образец взвешивают в воздухе и в жидкости известной плотности.
2. Пикнометрия — измерение объёма вытесненной жидкости.
3. Расчёт по массе и геометрии — для образцов правильной формы.
4. Рентгеновская и нейтронная дифракция — позволяют вычислить плотность по параметрам кристаллической решётки.

На практике для природного льда значения варьируются в зависимости от содержания пузырьков воздуха, трещин и примесей: плотность фирна и снежного льда может составлять от 400 до 900 кг/м³.

¶Сравнение с другими веществами

В отличие от воды, у большинства веществ твёрдая фаза плотнее жидкой. Например, плотность жидкого железа около 7000 кг/м³, твёрдого — около 7870 кг/м³. Аномалия воды и льда — следствие направленных водородных связей, которые в кристалле образуют открытую сетку. Это свойство делает воду уникальной средой, обеспечивающей устойчивость экосистем в холодных регионах.

Источники: справочники по физике и гидрологии, данные о фазовой диаграмме воды, материалы по кристаллографии льда.