Lód

Naturalna czterotonowa bryła lodu na plaży w Islandii

Kryształ lodu

Lód – minerał z gromady tlenków o wzorze chemicznym H₂O. Jest to stan stały wody.

Właściwości fizyczno-chemiczne

Zamarzanie czystej wody, przy ciśnieniu atmosferycznym wynoszącym 101 325 Pa, zachodzi w temperaturze 0 °C. Przy zamarzaniu objętość lodu jest większa niż tworząca go woda, przez co gęstość lodu jest o blisko 10% mniejsza (w temperaturze 0 °C gęstość wody wynosi 0,9998 g/cm³, a lodu - 0,9167 g/cm³). Dzięki temu lód pływa na wodzie, a zbiorniki wodne zamarzają od powierzchni w dół.

Lód jest kryształem dwójłomnym, jednak jego współczynniki załamania różnią się niewiele: wynoszą n_o = 1,309 i n_e = 1,313 dla długość fali około 590 nm.

Odmiany polimorficzne lodu

Diagram fazowy wody w zakresie umiarkowanych ciśnień

W dużym zakresie ciśnień można wyróżnić ogółem szesnaście odmian polimorficznych lodu, oznaczanych symbolicznie liczbami rzymskimi. Poniższa lista omawia niektóre z nich:

• I lub I_h – najbardziej powszechna, występująca w warunkach ziemskich; ułożenie atomów w przestrzeni odpowiada heksagonalnej sieci krystalicznej trydymitu
• I_c – metastabilna odmiana regularna, powstaje podczas szybkiej resublimacji pary wodnej na zimnych powierzchniach (od -190 do -130 °C); struktura odpowiada krystobalitowi.
• II - odmiana trygonalna, powstająca z lodu-I przy temperaturze 198 K i ciśnieniu 300 MPa. Prawdopodobnie obecna we wnętrzu największych księżyców lodowych, jak Ganimedes.
• III – prawdopodobnie ma strukturę podobną do tetragonalnej, syntetycznej odmiany dwutlenku krzemu zwanej keatytem. Najmniej gęsta z odmian wysokociśnieniowych, lecz gęstsza od wody.
• VII – tzw. lód gorący (niewidoczny na diagramie) występuje w jeszcze bardziej ekstremalnych warunkach; pod ciśnieniem 39 tys. atm. w temperaturze 192 °C ma gęstość 1,5 g/cm³; podejrzewa się, że występuje w głębi tzw. gorących neptunów - klasy planet pozasłonecznych o rozmiarach Neptuna.

Tworzenie się lodu

Lodospad

Sople lodowe

Tworzenie się lodu można zaobserwować w różnych miejscach i pod różnymi postaciami:

• z atmosfery lód spada zwykle w formie krystalicznej, na przykład w postaci igieł lodowych, krupy czy gradu;
• na powierzchni ziemi tworzy się przez zamarzanie wody na gruncie, na przykład w postaci: gołoledzi, ślizgawicy czy podczas przymrozku przygruntowego. Ponadto powstaje także poprzez zamarzanie zbiorników wodnych. Tereny leżące w cieniu lasów czy gór to miejsca szczególnie podatne na powstawanie lodu. Są nimi na przykład drogi prowadzące przez lasy, również atak wiatru może spowodować oblodzenie. Zależność tego zjawiska zależy od pory roku i szerokości geograficznej;
• lód na morzu, w miarę obniżania się temperatury wody, przyjmuje coraz trwalsze formy, aż do powstania zwartej pokrywy lodowej. W czasie wiatru i silnych fal obserwuje się pękanie pokrywy lodowej oraz tworzenie kry i ławic lodu. Podczas topnienia lodu na zamarzniętych zbiornikach wodnych jego pękanie wywołuje powstawanie dryfującej kry;
  • w okolicach podbiegunowych zamarznięta woda tworzy góry lodowe. Niektóre z nich osiągają olbrzymie rozmiary. Rekordowa pod względem wielkości góra lodowa została odkryta w 1956 roku na południowym Pacyfiku. Jej powierzchnia miała ponad 31 000 km² – co stanowi około 1/10 powierzchni Polski. Ze względu na niewielką różnicę gęstości morskiej wody i lodu, 90% objętości góry lodowej znajduje się pod powierzchnią wody.

Śliskość

Do niedawna fakt, że lód jest śliski przypisywano temu, że ciśnienie powstałe w wyniku nacisku na powierzchnię lodu sprawia, że maleje temperatura topnienia, lód topnieje i wytwarza płynną warstwę poślizgową. Łatwo wykazać fałszywość lub niepełność tej koncepcji, gdyż spadek temperatury przy wzroście ciśnienia jest niewielki i już w temperaturze kilku stopni poniżej zera lód nie powinien być śliski. Nadal nie jest do końca jasne dlaczego lód jest śliski, choć wiadomo, że cząsteczki lodu znajdujące się na jego wierzchniej są słabiej związane z pozostałymi cząsteczkami lodu, prawdopodobnie na skutek oddziaływania z cząsteczkami powietrza.

Inne własności

• Przeważnie lód posypywany solą topnieje, gdyż cząsteczki soli tworzą roztwór wodny. Temperatura zamarzania takiego roztworu jest znacznie niższa niż temperatura zamarzania wody.
• Kolor lodu zależy od tego, jak szybko powstał i od ilości zawartego w nim powietrza. O kolorze lodu decyduje również jego grubość. Drobne kryształki lodu są białe, ponieważ odbijają światło o wszystkich długościach fal. Cienka płaska warstwa lodu w znacznym stopniu przepuszcza światło i dlatego jest przezroczysta.

Zobacz też

• suchy lód, sztuczny lód, kryształ lodu, lodowiec, lodospad, lodołamacz, lód lodowcowy, niebieski lód lodowcowy, lód firnowy

Bibliografia

• Włodzimierz Trzebiatowski "Chemia nieorganiczna", Warszawa 1965