Льды нормального давления

Геологический факультет

Кафедра региональной и морской геологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Самая распространенная горная порода в солнечной системе

Работу выполнил ____________________________________А.С.Веригин

Факультет геологический, группа 15

Специальность 130102.65 Технология геологической разведки

Научный руководитель

д.г-м.н. профессор кафедры

региональной и морской геологии_____________________ Ю.В. Ефремов

Нормоконтролёр, к.г-м.н.

доцент, кафедры

региональной и морской геологии_______________________О.Л.Донцова

Краснодар 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 3

Лёд на Земле. 4

1.1 Свойства и структура льда. 4

1.2 Форма нахождения и образование льда. 5

2.1 Фазы льда. 7

2.2 Льды нормального давления. 10

2.3 Льды быстрого охлаждения. 11

2.4 Влияние давления. Тяжёлые льды.. 14

2.5 Метастабильные льды.. 18

Лёд в космосе. 20

3.1 Доктрина вечного льда. 23

3.2 Лед на луне. 24

Использование льда в технике. 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 27

Список используемых источников: 28

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы: несомненно изучение льда на земле и в космосе может дать очень много сведений. Его удивительные свойства и структура позволяют найти ему весьма широкое применение во многих отраслях. Мы встречаемся со льдом каждый день, будь то система охлаждения или обычный холодильник, но что мы знаем о природе льда? Если взглянуть глубже на этот вопрос мы увидим все разнообразие и обширный материал для исследований.

Объектом исследования выступает лёд. Предметом исследования являются научные открытия связанные со льдом в областях физики, химии и прочих.

Целью данной курсовой работы является исследование такого необычного элемента, как лед.

Для достижения цели были определены следующие задачи исследования:

1. Рассмотреть основные свойства и структуру льда

2. Рассмотреть фазы льда и нахождение его на земле и в космосе

3. Описать применение данного элемента

Метод исследования: описание, анализ льда.

Структура курсовой работы состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка.

Лёд на Земле

Лед – это ничто иное, как кристаллическое состояние воды. Химическая формула льда Н2О. Если рассматривать химический состав льда, то соотношение Н – 11,2%, а соотношение О – 88,8%. Нередко бывает, что в составе льда содержатся твердые механические, а также газообразные примеси. В природной среде лед существует в виде кристаллической модификации в диапазоне от 0 до - 80оС. При этом точка плавления льда равна ноль градусов. Рассмотрим свойства льда на Земле.

Свойства и структура льда

Лед бесцветен немного с синеватым оттенком. Имеет приятный стеклянный блеск, практически полностью прозрачный, не обладает спайностью. Непрочный, твердость составляет 1,5. Низкий показатель преломления (nm – 1,309, n – 1,310).

Одним из интереснейших свойств льда можно назвать «эффект Мпембы». Суть этого Эффекта в том что нагретая вода замерзает намного быстрее прохладной. Это происходит из за того что при нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются. Вода, лишенная газов, легче намерзает на стенки сосуда.

Еще одно удивительное свойство льда откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: две скользкие поверхности, сложенные вместе, склеиваются. Происходит это из за того поверхность любого куска льда являет собой череду слабо связанных между собой молекул. Когда мы прижимаем эти куски льда, молекулы их поверхностных слоев крепко сцепливаются, соединяя ледышки надежнее, чем клей «Момент».

Кристаллы льда чем-то схожи со структурой алмаза. Другими словами молекула Н2О окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, располагающимися на равных расстояниях (2,76А) и находящихся в углах тетраэдра правильной формы. В связи с низким координационным числом у льда ажурная структура, что отражено в его плотности (0,917).

Форма нахождения и образование льда

Лед является весьма распространенным материалом, встречающимся в природных условиях. В земной коре существует несколько разновидностей льда:

· озерный;

· речной;

· морской;

· фирновый;

· глетчерный;

· грунтовый.

Чаще лед создает агрегатное множество мелкокристаллических зерен. Не менее известны кристаллы льда, образующиеся сублимационным путем (из пара). В этом случае лед примет вид снежинок, а также инея, изморози и пещерного льда. Реже встречаются большие кристаллы льда, имеющие великолепную огранку. Мы все знакомы с ледяными сталактитами, которые чаще называются «сосульками». Сталактиты растут буквально по всей поверхности нашей планеты. Это процесс связан с медленной кристаллизацией (замерзанием) стекающей или капающей воды даже при незначительной разнице температур около нулевой отметки. Обычно это происходит в осенне-зимний период. «Сосульки» часто встречаются в ледяных пещерах. Ледяное покрывало из ледяных заберегов можно увидеть на краях водоемов, граничащих «воздух-вода». Идеальный пример – замерзающая лужа, края которой покрыты коркой льда, а середина поверхности не тронута морозом.

Образование льда происходит чаще всего в водоемах при снижении температуры воздуха. На поверхности воды образуется ледяная пленка, состоящая из иголочек льда. Снизу ледяная пленка обрастает кристалликами льда вытянутой формы.

Лед будет всегда, где есть вода и температура воздуха снижается ниже нулевой отметки. В некоторых регионах лед в грунте оттаивает только на небольшой глубине, в более глубоких слоях – вечная мерзлота. Ледники покрывают более 10% площади нашей планеты.

Ледниковым льдом называется ледяная монолитная порода. Ледники появляются в результате уплотнения и дальнейшего преобразования скоплений снега. Практически вся Антарктида занята ледовым покровом, а в Гренландии льдом покрыто около 75% всей площади. Самая большая толщина ледников около 4330 метров установлена в Антарктиде вблизи станции Бэрд. В центральной Гренландии толщина льда составляет 3200 метров.

Местонахождение льда известно многим. В основном лед появляется в местах с очень долгой зимой и непродолжительным летом. В горах часто можно увидеть ледниковые пещеры со сталактитами и сталагмитами. Самая интересная для изучения и исследования пещера в Пермской области – Кунгурская, а также пещера Добшине в Словакии.

Морской лед имеет характерные признаки – соленость и большую пористость. Плотность морского льда от 0,85 до 0,94 г/см3 и является достаточно малой по сравнению с плотностью пресного льда. Именно по этой причине льдины, образующиеся в морях и океанах возвышаются на 1/7 – 1/10 всей своей толщины над водой. Морской лед тает при температуре в минус 2,3 оС. Лед такого типа очень сложно раздробить, зато он более эластичен, нежели пресноводный.

Фазы льда

На данный момент известно 17 фаз льда:

· 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. Практически 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 охлажении 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 охлажении 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.[3]

Льды нормального давления

Рис.2 Структура льда I_h

Именно этот лёд мы наблюдаем в природе и в собственном холодильнике. Протоны в нём не упорядочены, то есть способны занимать какие угодно места на соединяющих атомы кислорода водородных связях. Причём это состояние лёд I_h сохраняет при охлаждении вплоть до абсолютного нуля. А можно ли добиться у этого льда порядка? Да, для этого существует хитрый способ: добавить в воду немного щёлочи. Тогда при затвердевании в структуре льда получаются дефекты в виде ионов гидроксила. Из-за этого молекулы воды обретают некоторую степень свободы, например им будет проще поворачиваться. Такой дефектный лёд I при глубоком охлаждении, ниже 72К при нормальном давлении, упорядочивается и становится льдом XI, в котором протоны упорядочены. У него ромбическая кристаллическая решётка, а структура, если взглянуть вдоль одной из осей, гексагональная, как у I_h. Лёд XI зарождается сразу во многих центрах, и в результате монокристалл льда I_h превращается в поликристалл. Скорее всего, эти кристаллики нового льда возникают около гидроксильных дефектов.

Льды быстрого охлаждения

При нормальном давлении можно получить и кубическое обличье льда I. Такой лёд не вырастет из гексагонального при глубоком охлаждении, для этого требуется идти другим путём, а именно — очень быстро охладить жидкую воду до низкой температуры. Например, заморозить её на чрезвычайно холодной металлической пластине (с температурой 163–183К) или охладить эмульсию капель до 150–190Кза десятитысячные доли секунды. При отогревании, достигнув температуры 193К, метастабильный кубический лёд I_c превращается в стабильный гексагональный. Лед I_c порой появляется и при замораживании воды в капиллярах, чему, видимо, способствует взаимодействие воды с материалом стенки и наследование его структуры.

Кстати, аналогичным способом — быстрым охлаждением — получают и аморфные льды. В этом ничего удивительного нет, почти любое кристаллическое вещество можно быстрым охлаждением из расплава перевести в метастабильное аморфное состояние. Именно при осаждении водяного пара на медную пластинку, охлаждённую ниже 163К, впервые был получен аморфный лёдс плотностью 0,93 г/см³, он же аморфная твёрдая вода, или стеклообразная вода. Если менять температуру подложки и скорость осаждения, то можно получать и лёд другой плотности. Так, при 77К и скорости осаждения 10 мг в час получается лёд плотности 0,94 г/см³, а при 10К и скорости 4 мг в час — 1,1 г/см³, причём его структура, хоть и лишённая дальнего порядка, оказывается гораздо сложнее, чем у предыдущего аморфного льда. До сих пор неясно: одна и та же модификация аморфного льда (с плотностью 0,94 г/см³) образуется при нагревании АЛВП и при осаждении из пара или они различаются?

Самый тяжёлый из аморфных льдов получают, однако, из льда I_h. Для этого кристаллический лёд охлаждают до 77К, а потом сдавливают. Когда давление достигает интервала 1–1,5 ГПа, объём образца резко уменьшается — это означает, что кристаллическая структура как-топерестроилась. Как именно — показывает рентгеновское исследование порошка полученного льда: дальний порядок в расположении молекул воды оказывается разрушенным и получается аморфный лёд, причём при возврате к атмосферному давлению порядок не восстанавливается. Плотность такого льда при давлении 1ГПа равна 1,3 г/см³, а при нормальном давлении — 1,17 г/см³. Если лёд высокой плотности нагреть при нормальном давлении, он не превратится в исходный лёд I_h, а вместо этого станет ещё одной модификацией аморфного льда, на сей раз с низкой плотностью, 0,94 г/см³. Этот лёд при дальнейшем нагревании в районе 150К закристаллизуется, но опять не в исходный лёд I_h, a примет кубическое обличье льда I_c. Вот так, однажды загнав систему в сильно неравновесное состояние, никак не удаётся вернуть её в состояние стабильное.

С аморфными льдами можно ставить и другие интересные опыты, превращая их в новые льды. В частности, одно из таких превращений приводит к получению аморфного льда сверхвысокой плотности: при атмосферном давлении она равна рекордным 1,25 г/см³.

Тяжёлые аморфные льды вполне могли бы утонуть в обычной воде, но этого не случается: слегка нагревшись, они превратятся в кристаллический лёд, плотность которого окажется меньше водяной, и тот, не успев растаять, всплывёт вверх. Обратите внимание, что слово „плавление“ к аморфному льду неприменимо, поскольку этот процесс происходит в интервале температур, что по-английскиназывается „softening“ (размягчение). Но мы рискнём использовать для него слово „таяние“, как и для кристаллических льдов. С таянием аморфных льдов связана одна из тех загадок, что не дают спать многочисленным исследователям замёрзшей воды.

Глядя на диаграмму состояния льда, то есть на зависимость его структуры от температуры и давления, можно увидеть очень интересную особенность. Оказывается, граница между аморфными льдами низкой и высокой плотностей протягивается и в область жидкой фазы. Получается, что при плавлении каждого из этих льдов должна получаться соответственно менее и более плотная вода, причём разница удельных объёмов у этих двух вод может достигать 20%. Температура же этого плавления лежит в интервале от 130 до 200К(в зависимости от давления). Можно предположить, что есть ещё точка, где сосуществуют три жидких фазы: две соответствуют размягчённым АЛНП и АЛВП, и одна — обычной жидкой. Её координаты — 0,1 ГПа и 200К. Одну из научных статей с описанием этого интересного гипотетического явления автор так и озаглавил: „Две воды и без льда, будьте любезны“. Возможна ли такая ситуация в реальности? Пока неизвестно. К сожалению, довести аморфные льды до прямого превращения в жидкость не удаётся; при нагреве до примерно 150К они становятся кристаллическим льдом. А он тает при гораздо более высокой температуре.[6]

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: