Лід, кри́га — вода в твердому кристалічному або аморфному стані; замерзла вода. Зазвичай утворюється за температури 0 °C (32 °F або 273,15 К) або нижче. Зустрічається в природі на Землі, на інших планетах, в об'єктах хмари Оорта та у вигляді міжзоряного льоду. Як природна кристалічна неорганічна тверда речовина з упорядкованою структурою, лід вважається мінералом. Залежно від наявності домішок, як-от частинок ґрунту або бульбашок повітря, може виглядати прозорим або більш чи менш непрозорим блакитно-білого кольору.
Практично весь лід на Землі має гексагональну кристалічну структуру, що позначається як лід Ih. Залежно від температури та тиску може існувати щонайменше 19 фаз (геометрій пакування) льоду. Найпоширеніший фазовий перехід до льоду Ih відбувається, коли рідка вода охолоджується нижче за стандартного атмосферного тиску. Коли вода швидко охолоджується (гартується), може утворюватися до трьох типів аморфного льоду. Міжзоряний лід переважно аморфний низької густини (LDA), що робить лід LDA, ймовірно, найпоширенішим типом у Всесвіті. Під час повільного охолодження, нижче () відбувається корельоване тунелювання протонів, що приводить до .
На поверхні Землі є багато льоду, особливо в полярних регіонах та вище від снігової лінії, де він може агрегуватися зі снігу, утворюючи льодовики та льодовикові щити. Як сніжинки та град, лід є поширеною формою опадів, а також може осідати безпосередньо з водяної пари у вигляді інею. Перехід від льоду до води — це танення, а від льоду безпосередньо до водяної пари — це сублімація. Ці процеси відіграють ключову роль у кругообігу води та кліматі Землі. В останні десятиліття обсяг льоду на Землі зменшується через зміну клімату. Найбільше скорочення відбулося в Арктиці та в горах, розташованих за межами полярних регіонів. Втрата ґрунтового льоду (на відміну від плавучого морського льоду) є основним фактором підвищення рівня моря.
Протягом тисячоліть люди використовують лід для різних цілей. Деяким історичним спорудам, призначеним для зберігання льоду для охолодження, понад 2000 років. До винайдення холодильної технології єдиним способом безпечно зберігати продукти харчування без модифікації їх консервантами було використання льоду. Достатньо твердий поверхневий лід робить взимку водні шляхи доступними для наземного транспорту, також можна підтримувати спеціальні . Лід також відіграє важливу роль у зимових видах спорту.
Етимологія Назва крига походить від давньоруського кра, від праслов'янського *jьkrà з подальшим додаванням зменшувального суфікса -ига. Слово лід походить з давньоруського лед, від праслов'янського *ledъ, споріднено з литовською, латвійською і пруською назвами.
Основні характеристики
Нині відомо три аморфних різновиди (за густиною) та 18 кристалічних модифікацій льоду. На Землі природний лід представлений переважно одним кристалічним різновидом. Проте в міжзоряному середовищі переважає аморфний лід, що робить його, ймовірно, найпоширенішою формою води у Всесвіті. Під дією власної ваги лід набуває пластичних властивостей і плинності.
Зустрічається в природі у вигляді власне льоду (материкового, плаваючого, підземного), а також у вигляді снігу, інею тощо.
Природний лід звичайно значно чистіший, ніж вода, тому що розчинність речовин у льоду вкрай низька. Лід може містити механічні домішки — тверді частинки, крапельки концентрованих розчинів, бульбашки газу. Наявністю кристаликів солі й крапельок розсолу пояснюється солонуватість морського льоду.
Загальні запаси льоду на Землі становлять близько 30 млн км³. Є дані про наявність льоду на планетах Сонячної системи та в кометах. Основні запаси льоду на Землі зосереджені в полярних країнах (переважно в Антарктиді, де товщина льодового покриву досягає 4 км).
Штучний лід отримують охолодженням, якого досягають розчиненням деяких солей у воді чи кислотах або випаровуванням рідин у розрідженому просторі.
Лід — це тверда фаза оксиду водню хімічної будови Н2О. Містить: Н — 11,2 %; О — 88,8 %. Сингонія гексагональна. Вид дигексагонально-пірамідальний. Штучно одержано ще три модифікації льоду: лід-II; лід-III і лід-IV. Густина — 917,5 кг/м³. Твердість — 1,5 (при +4 °С), 4,0 (– 44 °С) і 6,5 (–78,5 °С). Зазвичай утворює агрегатні скупчення дрібнокристалічних зерен. Відомі також кристалічні утворення, які виникають внаслідок сублімації. Вони мають вигляд скелетних форм і фігур росту (дендрити), а також променистих агрегатів. Безбарвний, прозорий, у значних скупченнях синюватий. Блиск скляний. Крихкий. Утворюється у кріосфері при зниженні температури нижче 0 °С (льодовики, підземний лід тощо). За температури 0 °С плавиться, перетворюючись на воду.
Дослідженням льоду займається кріологія. Найбільш вивченим є лід 1-ї модифікації — єдиної модифікації, виявленої в природі.
Лід — одна з найпоширеніших твердих речовин на земній поверхні. У природі є багато видів льоду різного віку. Тривалість існування одних видів визначається годинами, вік інших — сотні тисяч років.
ВластивістьЗначенняПриміткаТеплоємність, кал/(г··°C)0,51 (0 °C)Сильно зменшується зі зниженням температуриТеплота танення, кал/г79,69 Теплота паротворення, кал/г677 Коефіцієнт термічного розширення, 1/°C9,1·10−5 (0 °C) Теплопровідність, кал/(див сек··°C)4,99·10-3 Показник заломлення для звичайного променя1,309 (-3 °C) Показник заломлення для незвичайного променя1,3104 (-3 °C) Питома електрична провідність, ом−1·см−110−9(0 °C)Гадана енергія активації 11 ккал/мольПоверхнева електропровідність, ом−110−10 (-11 °C)Гадана енергія активації 32 ккал/мольМодуль Юнга, дин/см9·1010 (-5 °C)Полікристалічний лідОпір, Мн/м²роздавлюваннюрозривузрізу 2,51,110,57 Полікристалічний лідПолікристалічний лідПолікристалічний лідСередня ефективна в'язкість, пз1014Полікристалічний лідПоказник ступеня статичного закону плину3 Енергія активації при деформуванні й механічній релаксації, ккал/моль11,44-21,3Лінійно росте на 0,0361 ккал/(моль·°C) від 0 до 273,16 К
Фізичні властивості
Лід має правильну структуру на основі молекули води, яка складається з одного атома кисню, ковалентно зв'язаного з двома атомами водню — H–O–H. Однак багато фізичних властивостей води та льоду спричинені утворенням водневих зв'язків між сусідніми атомами кисню та водню; хоча це слабкий зв'язок, він, тим не менш, має вирішальне значення для утворення структури як води, так і льоду.
Незвичайна властивість води полягає в тому, що густина її твердої форми — льоду, замерзлого за атмосферного тиску — приблизно на 8,3 % менша за густину рідкої форми; це еквівалентно об'ємному розширенню на 9 %. Густина льоду становить 0,9167–0,9168 г/см³ за 0 °C та стандартного атмосферного тиску (101 325 Па), тоді як вода має густину 0,9998–0,999863 г/см³ за тих самих температури та тиску. Рідка вода має найвищу густину, по суті 1,00 г/см³, за 4 °C і починає втрачати густину, колипри досягненні точки замерзання молекули води починають формувати гексагональні кристали льоду. Це пов'язано з тим, що водневі зв'язки домінують над міжмолекулярними силами, що призводить до менш компактного упакування молекул у твердому тілі. Густина льоду дещо зростає зі зниженням температури та при −180 °C (93 К) має значення 0,9340 г/см³.
Коли вода замерзає, її об'єм збільшується (близько 9 % для прісної води). Вплив розширення під час замерзання може бути разючим: розширення льоду є основною причиною вивітрювання гірських порід у природі та пошкодження фундаментів будівель і доріг унаслідок . Воно також є поширеною причиною затоплення будинків, коли водопровідні труби розриваються через тиск води, яка розширюється під час замерзання.
Оскільки густина льоду менша, ніж рідкої води, він плаває, і це запобігає промерзанню водойм до дна. Натомість під плавучим льодом утворюється середовище для тваринного та рослинного життя, яке захищає нижню частину від короткочасних погодних екстремумів, як-от . Досить тонкий плавучий лід пропускає світло, підтримуючи фотосинтез колоній бактерій та водоростей. Коли морська вода замерзає, лід пронизаний каналами, заповненими розсолом, які підтримують , як-от бактерії, водорості, веслоногі та кільчасті черви. У свою чергу, вони забезпечують їжею таких тварин, як криль, та спеціалізованих риб, як-от , якими, у свою чергу, харчуються більші тварини, як-от імператорські пінгвіни та малий смугач.Sea Ice Ecology . Acecrc.sipex.aq. Retrieved 30 October 2011.
Коли лід тане, він поглинає стільки ж енергії, скільки знадобилося б для нагрівання еквівалентної маси води на 80 °C. Під час плавлення температура залишається постійною на 0 °C. Під час плавлення вся додана енергія йде на розривання водневих зв'язків між молекулами льоду (води). Енергія стає доступною для збільшення теплової енергії (температури) лише після того, як розірвано достатню кількість водневих зв'язків, щоб лід можна було вважати рідкою водою. Кількість енергії, що витрачається на розрив водневих зв'язків під час переходу від льоду до води, відома як теплота плавлення.
Як і вода, лід поглинає світло переважно в червоному кінці спектра в результаті обертону розтягування зв'язку кисень-водень (O–H). Порівняно з водою, це поглинання зміщене в бік дещо нижчих енергій. Завдяки цьому лід виглядає синім, з дещо зеленішим відтінком, ніж рідка вода. Оскільки поглинання є кумулятивним, колірний ефект посилюється зі збільшенням товщини або якщо внутрішні відбиття змушують світло проходити довший шлях крізь лід. За наявності домішок, що поглинають світло, можуть з'являтися інші кольори, при цьому колір визначають домішки, а не сам лід. Наприклад, айсберги, що містять домішки (як-от осади, водорості, бульбашки повітря), можуть виглядати коричневими, сірими або зеленими.
Оскільки лід у природному середовищі зазвичай має температуру, близьку до температури плавлення, його твердість демонструє помітні температурні коливання. У точці плавлення лід має твердість за шкалою Мооса 2 або менше, але за температури вона зростає приблизно до 4, а за температури (точка випаровування твердого вуглекислого газу (сухого льоду)) — до 6.
Фази льоду
Більшість рідин за підвищеного тиску замерзають за вищих температур, оскільки тиск сприяє утриманню молекул разом. Однак міцні водневі зв'язки у воді змінюють це: для деяких тисків вище , вода замерзає за температури нижче 0 °C. Лід, вода та водяна пара можуть співіснувати в потрійній точці, яка дорівнює рівно за тиску 611,657 Па. За різницею між цією потрійною точкою та абсолютним нулем було визначено кельвін, хоча у травні 2019 року це визначення змінено. На відміну від більшості інших твердих тіл, лід важко перегріти. В експерименті лід за температури −3 °C перегріто приблизно до 17 °C протягом приблизно 250 пс.
Під впливом вищого тиску та різних температур лід може утворювати дев'ятнадцять окремих відомих кристалічних фазах різної густини, також запропоновано гіпотетичні фази льоду, які ще не спостерігалися. Щонайменше п'ятнадцять із цих фаз (один із відомих винятків — лід X) можна відтворити в метастабільній формі за атмосферного тиску та низької температури. Типи відрізняються кристалічною структурою та упорядкуванням протонів. Також існують дві метастабільні фази льоду під тиском — лід IV та Лід XII — із цілком невпорядкованим воднем. Лід XII відкрито 1996 року. 2006 року відкрито Лід XIII та Лід XIV. Льоди XI, XIII та XIV — це воднево-впорядковані форми льодів I, V та XII відповідно. 2009 року за надзвичайно високого тиску та температури −143. °C знайдено лід XV. За прогнозами, за ще вищого тиску лід перетвориться на метал (за різними оцінками, при 1,55 ТПа або 5,62 ТПа).