Фа́зовая диагра́мма воды — графическое отображение равновесного состояния фаз воды (жидкости, водяного пара и различных модификаций льда). Строится в системе координат

Фа́зовая диагра́мма воды — графическое отображение равновесного состояния фаз воды (жидкости, водяного пара и различных модификаций льда). Строится в системе координат температура—давление.

Лёд Ih — стабильная гексагональная кристаллическая разновидность водного льда. Практически весь лёд в биосфере Земли состоит из этой модификации льда, кроме которого присутствует крайне незначительное количество льда Iс в верхних слоях атмосферы и некоторое количество льда XI в Антарктиде. Лёд Ih стабилен при температурах до −200 °C и давлении 0,2 ГПа. Лёд Ih имеет множество особенностей. Благодаря некоторым из них и возможна жизнь на Земле.

Лёд XI — ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда Ih с упорядоченным расположением протонов. Является сегнетоэлектриком. Считается, что лёд XI представляет собой самую устойчивую конфигурацию льда Ih. Естественные процессы трансформации идут очень медленно и лёд XI был найден во льду Антарктиды с возрастом от 100 до 10 000 лет. Судя по проведённым там исследованиям, температура образования льда XI составляет −36 °C. Плотность льда XI при атмосферном давлении 0,92 г/см³.

Лёд III — тетрагональная кристаллическая разновидность водного льда. Можно получить при охлаждении воды до −23 °C (250 K) и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений (1,16 г/см³ при давлении 350 МПа). Плотность жидкой фазы при том же давлении около 1,12 г/см³.

Лёд V — моноклинная кристаллическая разновидность водного льда. Получают при охлажении воды до −20 °C (253 K) и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов называют льдом XIII. Лед V тает при 50 ºС.

Лёд XV — псевдоромбическая кристаллическая разновидность льда, которая является формой льда VI с упорядоченным расположением протонов.

Лёд XV был впервые получен экспериментально[1] при медленном охлаждении льда VI (с примесью дейтерированной HCl в концентрации 0,01 моль/л). Выяснилось, что лёд XV термодинамически стабилен при температурах ниже −143 °C (130 K) и давлении от 0,8 до 1,5 ГПа. Лёд XV имеет тройные точки со льдом VI и льдом II (130 K, 0,8 ГПа), и льдом VI и льдом VIII (130 К, 1,5 ГПа). Показано, что он является антисегнетоэлектриком.

Лёд XII — тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая разновидность водного льда. Впервые был получен путём охлаждения воды до −13 °C (260 K) при давлении 0,55 ГПа; было обнаружено, что он существует в области фазовой стабильности льда V. Позже было показано, что лёд XII можно создать и вне этого диапазона. Чистый лёд XII можно получить изо льда Ih при температуре −196 °C (77 K) путём быстрого сжатия (0,81-1,00 ГПа/мин) или посредством нагрева аморфного льда высокой плотности до −90 °C (183 К) в диапазоне давлений между 0,8 и 1,6 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов называют льдом XIV. Хотя по плотности (1,29 г/см3 при температуре −146 °C (127 K)) он близок ко льду IV (такая плотность наблюдается и в области льда V), он существует в виде тетрагональных кристаллов. Топологически он представляет собой смесь семи- и восьмичленных колец, 4-связную сеть (4-координатную сферическую упаковку) — с наиболее плотной конфигурацией из возможных, которая достигается без взаимопроникновения водородных связей.

Лёд VI — тетрагональная кристаллическая разновидность водного льда. Получают при охлажении воды до −3 °C (270 K) и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация. Предсказана (и экспериментально подтверждена) разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов, которую называют льдом XV. Лед VI тает при температуре 81 ºС (355 K) при 2.216 ГПа и при температуре около 0 ºС при 0.6 ГПа.

Лёд X — кубическая кристаллическая форма льда, образующаяся так же, как и лёд VII, но при высоких давлениях около 70 ГПа. Это симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа. Лёд X также обладает очень высокой плотностью (2,51 г/см³) по сравнению с другими модификациями льда.

Лёд II — тригональная кристаллическая разновидность водного льда с высокоупорядоченной структурой. Получают сжимая лёд Ih при температурах от −83 °C до −63 °C (190—210 K) и давлении 300 МПа, или путём декомпрессии льда V при температуре −35 °C (238 K). При нагреве лёд II преобразуется в лёд III. Лёд II может существовать в метастабильном состоянии при температурах ниже −173 °C (100 K) и диапазоне давлений от атмосферного до примерно 5 ГПа. При атмосферном давлении и температуре выше −113 °C (160 K) он необратимо трансформируется в лёд Ih.

Лёд IV — метастабильная тригональная кристаллическая разновидность водного льда. Трудно образуется без нуклеирующей затравки. Можно получить медленно нагревая (0,4 K/мин) аморфный лёд высокой плотности от температуры 145 К при постоянном давлении 0,81 ГПа (при более высокой скорости нагрева, порядка 15 K/мин, образуется преимущественно лёд XII).

Лёд VIII — тетрагональная кристаллическая форма льда, которую получают охлаждая лёд VII ниже 5 °C (278 K). Его структура более упорядочена, чем у льда VII, поскольку атомы водорода очевидно занимают фиксированные положения.

Лёд VII — кубическая модификация льда. Его тройная точка с жидкой водой и льдом VI находится при температуре 355 K и давлении 2,216 ГПа, а граница между твёрдым и жидким состояниями протягивается по меньшей мере до 715 K и 10 ГПа. Также он может быть получен под давлением изо льда VI при комнатной температуре. Как и в большинстве модификаций льда (включая самую распространённую − лёд Ih) положение атомов водорода в нём не упорядочено. Структура льда VII образует систему водородных связей в виде двух взаимопроникающих (но не связанных) подрешёток. Лёд VII — единственная из разупорядоченных модификаций льда, которая может быть упорядочена простым охлаждением, образуя при этом (упорядоченный) лёд VIII при температурах ниже 273 K и давлениях до ~ 8 ГПа. При более высоких давлениях температура перехода VII—VIII резко понижается, достигая 0 K при ~60 ГПа. Таким образом, лёд VII обладает наибольшей областью стабильности по сравнению с другими модификациями. Кубические кислородные подрешётки, которые создают структурный каркас льда VII, могут существовать по меньшей мере до давлений около 128 ГПа; такое давление существенно выше того, при котором вода теряет свой молекулярный характер, образуя лёд X.

Дата добавления: 2015-08-29