Привіт Олег! Могли б ви мені допомогти? Питання ось у чому: я хотіла б виготовляти лід у вигляді кубів, але скільки б я не пробувала їх робити, куби виходять з білою плямою всередині, хоча я використовувала очищену воду і навіть дистильовану. Також чомусь всередині куба з'являється велика кількість бульбашок. Я дуже сподіваюся, що Ви зможете мені допомогти. Заздалегідь велике спасибі! Вікторія.
Привіт, Вікторія! Настільки дивна поведінка ваших кубиків льоду пояснюється особливостями процесу кристалізації. Перетворення рідини в кристал відбувається в першу чергу на центрах кристалізації; домішках і неоднородностях - частинках пилу, бульбашках повітря, найдрібніших подряпинах на стінках посудини. Чиста вода центрів кристалізації практично позбавлена, тому вона може переохолоджуватися, і досить сильно, залишаючись рідкою, але дрібні бульбашки повітря вода завжди містить. Вони то і є причиною спостережуваного ефекту. У лабораторних умовах температуру води, правда, в дуже малих обсягах, вдавалося довести до -70 ° С.
Є навіть така гіпотеза, що в структурі льоду залишаються численні пори і проміжки, заповнені повітрям. Бульбашки повітря вмерзают в лід, і така "губка" стає значно легше води. Але навіть лід без мікроскопічних пір і тріщин має щільність 0,9168 г / см 3 при 0 ° С, а вода при тій же температурі - 0,9984 г / см 3.
Зліва - Кристалічна решітка льоду. Молекули води H2O (чорні кульки) в її вузлах розташовані так, що кожна має чотирьох "сусідок".
Самі молекули води, що складаються з одного атома кисню і двох атомів водню, мають вид кульок з опуклостями. У кристалі льоду вони розташовуються так, що опуклості (відповідні атомам водню) орієнтуються строго по напрямку двох сусідніх молекул. В результаті виникає тривимірна кристалічна решітка, що складається з майже ідеальних тетраедрів. Кожна молекула в його вершинах оточена чотирма іншими, тобто має координаційне число рівне 4.
Схожі явища кристалізації льоду на домішках можна спостерігати і в природі. Багато мандрівники давно відзначали, що глибокої осені дуже чисті річки і струмки починають замерзати з дна. Крізь шар чистої води добре видно, що водорості і корчі на дні обростають пухкої крижаний шубою. У якийсь момент цей донний лід спливає, і поверхня води миттєво виявляється скутою крижаною кіркою.
До подібних повідомлень завжди ставилися досить скептично. Температура верхніх шарів води нижче, ніж глибинних, і замерзання начебто має починатися з поверхні. Однак чиста вода замерзає неохоче, і лід в першу чергу утворюється там, де є центри кристалізації - суспензія мула і тверда поверхня, - біля дна.
Кристал льоду прагне вирости як можна більш правильним - це "вигідно" з точки зору його внутрішньої енергії. А будь-які домішки спотворюють форму решітки. Тому зростаючий кристал витісняє будь-які сторонні атоми і молекули, намагаючись будувати ідеальну грати, поки це можливо. І тільки коли домішкам діватися вже нікуди, кристал льоду починає вбудовувати їх в свою структуру або залишає у вигляді капсул концентрованої рідиною. Тому морський лід прісний, а навіть найбрудніші калюжі покриваються прозорим і чистим льодом.
Водопровідна вода містить приблизно сто частин домішок на мільйон частин води (в основному це хлор, розчинений для дезінфекції, кухонна сіль, яка є скрізь, і тверді мікрочастинки). Дистиляцією в звичайних лабораторних умовах їх кількість неважко знизити раз в сто, отримавши воду з чистотою 99,9999%. Якщо ж посудину з цією водою повільно охолоджувати з одного боку, вийде лід з чистотою вже до шести дев'яток після коми. У ньому знайдеться тільки одна частинка домішки на сто мільйонів частинок води.
У мінералогічних колекціях нерідко можна бачити, наприклад, прозорі кристали корунду Al2O3, які закінчуються рубіновим "шапочкою". Це зростаючий кристал "зібрав" з усього обсягу домішка - іони хрому Cr 3+, які перетворюють безбарвний корунд в червоний рубін.
Аналогічним чином, і лід, вичавлюючи домішки зі своєї кристалічної решітки, стає прозорим. А сніг ж, який складається з мікроскопічних кристаликів льоду, непрозорий. У чому ж причина таких різних оптичних властивостей одного і того ж речовини?
Зліва - Видиме світло льодом практично не поглинається, але затримує весь ультрафіолет і велику частину інфрачервоного випромінювання. У цих областях спектру лід виглядає абсолютно чорним.
Праворуч - Білий світло, що падає на сніг, не поглинається, а багаторазово переломлюється в крижаних кристалах і відбивається від їх граней. Тому сніг виглядає білим.
Як це не дивно, причина тут одна. Лід практично не поглинає видиме світло. І якби лід не був прозорим, сніг не був би білим. Світлові промені проходять крижану пластинку наскрізь, а в шарі снігу відчувають багатократне віддзеркалення і виходять назад, не втративши жодного з компонентів спектра. Але якби ми могли бачити інфрачервоне випромінювання і ультрафіолет, сніг здавався б нам абсолютно чорним: коефіцієнт поглинання світла в цих областях спектру дуже великий.
Так чому ж іноді у вас виходить прозорий лід з дистильованої води, а іноді ні? Справа в тому, що при замерзанні крапельок води виділяються дрібні пухирці повітря, які завжди присутні у воді. Вони прилипають до граней кристалів льоду. Чим більше утворюється кристалів льоду, тим більше бульбашок повітря - ось вам і непрозорий лід. Якщо вода під кригою рухається, повітряні бульбашки збираються разом, і утворюється прозорий лід.
Спробуйте провести такий експеримент. Вам знадобиться формочка з тонкого пластику. Скляний посуд не годиться: при замерзанні вода розширюється майже на 10% (саме тому лід плаває) і розриває крихкий матеріал. Форму потрібно ретельно промити і, не витираючи, висушити, повернувши дном догори, щоб всередину не потрапила пил.
Воду використовуйте дуже чисту, добре прокип'ячену (а ще краще дистильовану - вона продається в аптеках). Стакан з водою в морозний день при -2 5оС поставте за вікно, прикривши шматочком чистого скла і захистивши від прямих сонячних променів. Через кілька годин вміст склянки охолоне нижче нуля, але залишиться рідким (якщо, звичайно, всі рекомендації були виконані акуратно).
Обережно відкрийте склянку і киньте у воду маленький шматочок льоду, дрібку снігу або просто пилу. На ваших очах вода миттєво замерзне, проростаючи по всьому об'єму красивими кристалами.
Можна отримати прозорий лід і в морозильній камері холодильника. Але для цього вам треба попередньо прокип'ятити використовувану для приготування льоду дистильовану воду, щоб все повітря, що міститься у воді зник.
З повагою, к.х.н. О.В. Мосін
Доповнення від читачів
Прочитав питання як отримати лід без домішок газу, тобто ідеально прозорим. У відповіді багато теорії але без практичного ради. Свого часу для оптичних досліджень цю проблему вирішили наступним шляхом: пакет молока сдістілірованной водою зверху і сбоков ізолювали пінопластом і поставили в холодильник. Заморожування утворення льоду відбувається знизу в верх і бульбашки мають вихід. Якщо заморожувати з усіх боків, лід не прозорий через те що немає виходу для бульбашок. Надіслав AndreyKo1.