Необычный лед
Гексагональная структура не единственно возможная для ледяных кристаллов. Например, в растворах ряда органических веществ отмечаются упорядоченные группы молекул воды вокруг молекул органических соединений. Это так называемые «айсберги», «зоны жидкого льда», имеющего кубическую структуру — более рыхлую, чем гексагональная.
Вероятно, характером структуры объясняется и возможность ее образования при положительных температурах, особенно в системах с относительно малым содержанием воды. Такими системами можно считать, например, зерна хлебных злаков или газовый конденсат, в состав которого входит вода. Зерна злаков нередко оказываются замерзшими при температуре 4,5°С.
Нетающий лед можно встретить и при более высокой температуре окружающей среды — до 20°C. Естественно, встречается он не повсеместно. Таким «теплым льдом» нередко оказываются забиты газопроводы. Эта снегоподобная масса льда состоит из своеобразных образований — газогидратов, где в ледяной единой кристаллической структуре связаны молекулы воды и гомеополярные молекулы предельных углеводородов (преимущественно метана). Присутствием органических молекул и объясняется особая тепловая стойкость такого льда.
Как выяснилось, газогидраты широко встречаются и в природе, особенно в северных газовых месторождениях. Предполагают, что немалая доля газа в подземных месторождениях хранится в твердом состоянии, в виде газогидратов, что затрудняет традиционные способы добычи и транспортировки природного газа.
Газогидраты нередко бывают причиной серьезных помех нормальной работы газовых магистралей. Однако теперь и эту форму льда люди начинают эффективно использовать. Так, принципиально новые методы добычи, хранения и транспортировки газа позволяют реализовать процессы добычи голубого топлива в твердом виде.
Другое направление использования «теплого льда» имеет прямое отношение к решению водных проблем. С помощью образования газогидратов, а затем при разделении газовой и водной фаз разработаны методы опреснения соленых вод.
Особенно эффективны эти методы там, где использовать их можно комплексно, например, при одновременном получении пресной воды и выработке из соленых вод ее ценных примесей — дейтерия, редкоземельных металлов, а также при использовании низкопотенциального тепла в кондиционерах.
При внешнем разнообразии форм льда, встречающихся в гидросфере Земли, их физические свойства одинаковы или достаточно близки. И в снеге, и в граде, и в айсберге, и в почвенном игольчатом льде легко узнаем хорошо знакомую нам замерзшую воду.
Используя возможности современной техники, в специальных условиях можно соз-
Дать совершенно необычные разновидности льда. Их получают, моделируя условия, господствующие на далеких космических телах или глубоко в недрах нашей планеты, где температура и давление в сотни и тысячи раз отличаются от тех, которые существуют на земной поверхности.
В глубоком вакууме при температуре ниже -170°С водяной пар, оседая на твердом теле, образует лед, лишенный кристаллической структуры. Он аморфен и внешним видом напоминает стекло. Отдельные молекулы замерзшей воды не упорядочены, как у льда в обычных условиях. Тем не менее структура такого аморфного льда оказывается более компактной, чем льда кристаллического. Поэтому его плотность значительно выше — 2,3 г/см3.
Не исключено, что такие или сходные формы льда могут входить в состав комет или образовываться на поверхности иных планет.
В условиях повышенного давления также существенно изменяются свойства льда. Как правило, он приобретает повышенную плотность. Различают ряд модификаций льда, полученного при высоком давлении. Так, при давлении 208 МПа лед приобретает модификацию III, отличающуюся тем, что плотность его превышает 1. Лед III тонет в воде. Еще более плотный лед образуется при давлении около 300 МПа. В соответствии с особенностями структуры его относят к модификации
II. При более высоком давлении получают лед IV, который быстро преобразуется в лед V. Начиная со льда V, получаемого при давлении свыше 500 МПа, модификации представляют собой тугоплавкий лед. Лед VI уже можно назвать горячим, он плавится лишь при 80°С.
Самый плотный и тугоплавкий лед VII — последняя из известных кристаллических модификаций. Получаемый при давлении 900 МПа, он плавится при 190°С, то есть при температуре, почти вдвое превышающей температуру кипения воды в нормальных условиях. Интересно, что лед VII, при всей необычности его свойств, вовсе не научный курьез. Вполне вероятно, что он встречается в неземных условиях и в глубинных слоях земной коры, но об этом пока можно судить лишь предположительно. Однако для того, чтобы обнаружить «сверхгорячий» лед, не нужно забираться так далеко. Огромные давления, которые нужны для его образования, могут развиваться в трущихся деталях крупных механизмов, например, подшипниках мощных турбин электростанций. И если в смазке для подшипников оказываются малейшие следы воды, она превращается в лед модификации VII. Твердость его очень высока, поэтому он крайне отрицательно действует на подшипники: изъязвляет их и быстро разрушает.
Все это еще раз убедительно показывает, как много необычного таит в себе вода и как важно ее детальное и всестороннее изучение.
