Лёд и давление

Мы везде говорили о льде, принадлежащем к гексагональной кристаллической системе. Однако формы льда этим не исчерпываются. К настоящему времени открыто одиннадцать различных типов льда. Из диаграммы состояний воды видно, что в области давле­ний, простирающейся до значений, превышающих 20 000 атм, в температурном интервале, нижняя гра­ница которого лежит ниже -100°С, кроме льда I об­разуются и другие разновидности льда, существующие при высоких давлениях: лед II, лед III, лед IV, лед V, лед VI, лед VII, лед VIII и лед IX. К тому же, хотя на рисунке это и не показано, при температурах ниже -160 °С возникает стеклообразный лед, а лед I может иметь как гексагональную, так и кубическую кристаллическую структуру. Таким образом, всего насчитывается 11 ти­пов льда.

Самые первые разновидности льда, существующе­го при высоких давлениях, были открыты в начале века Тамманом (Гёттингенский университет). Зани­маясь исследованиями физических свойств и фазо­вых переходов различных веществ и, в особенности, растворов с помощью аппаратуры, позволяющей по­лучать давления до 3000 атм, Тамман в 1900 г. от­крыл лед II и лед III.

Он сделал следующее интересное наблюдение. Если охладить камеру высокого давления, в которой создается лед II, до температуры жидкого воздуха, а затем снять давление, то кристаллическая структу­ра останется замороженной и фазовый переход льда II в лед I произойдет не сразу. Поэтому глыбу льда II можно вынуть из камеры. Пока температура низкая, ничего не происходит, но, как только она становится достаточно высокой, объем глыбы резко увеличивается на 20 % и глыба разрушается, превра­щаясь в порошок обычного льда. Тамман пишет, что лед II и лед III прозрачны и похожи на фарфор.

Кроме сообщения об открытии льда II и льда III он говорит и об обнаружении еще нескольких фазо­вых переходов. Можно предположить, что в данном случае на Таммана произвели обманчивое впечатление внутренние механические напряжения, а на са­мом деле сохранитесь равновесное состояние. В на­стоящее время существование таких переходов отвер­гается.

Давления свыше 10 000 атм первым в мире по­лучил Бриджмэн из Гарвардского университета. В 1946 г. за создание аппаратуры для получения вы­соких давлений и исследования свойств веществ при таких давлениях он был удостоен Нобелевской пре­мии по физике. Бриджмэн более известен как осно­воположник физики высоких давлений, но ему при­надлежат и открытия новых разновидностей льда, существующих при высоких давлениях.

Сначала им бьии открыты лед V и лед VII (1912 г.). Если продолжать сдавливать открытый Тамманом лед III, то при давлении в 3700 атм образуется более плотный лед V. При дальнейшем повышении давле­ния возникает еще более плотный лед VI.

Впоследствии Бриджмэн создал аппаратуру, позво­ляющую получать колоссальное давление в 45 000 атм. В 1938 г. он обнаружил, что в интервале давлений от 20 000 до 25 000 атм лед VI переходит в еще более плотную фазу, получившую название льда VII.

В области существования льда V при давлениях, близких к 5000 атм, образуется метастабильный лед IV, который также был исследован Бриджмэном.

В дальнейшем исследованиями льда при высоких давлениях занимались группы Уолли (Канадский национальный институт), Кэмба (Калифорнийский технологический институт) и др. Они изучали струк­туру и физические свойства льда, существующего при высоких давлениях. В частности, группа Уолли, исследовавшая электрические свойства такого льда, открыла новые его разновидности - лед VIII (1966 г.) и лед IX (1968 г.), к разговору о которых мы еще вернемся. Итак, перечислены все одиннадцать из­вестных на сегодня типов льда.

Comments