Tuhá voda a jej štruktúra

Pri teplote 0oC kvapalná voda prechádza do tuhého skupenstva – vzniká ľad. Morská voda, ktorá obsahuje rozpustené soli, zamŕza pri nižšej teplote, priemerne pri – 2,21oC. Z toho vyplýva, že čím je vodný roztok hustejší, tým pri nižšej teplote zamŕza. Ľad má sklený lesk, je číry, priehľadný, bezfarebný alebo biely, vo veľkých kusoch modrastých alebo zelenkastý. Iné sfarbenie spôsobujú rozličné prímesi. Pri prekročení pevnosti v tlaku (2,45MPa) sa ľad drví a pri prekročení pevnosti v ťahu (0,735 MPa) sa pri zavesení trhá. Ľad má pri rovnakej hmotnosti asi o 9 % väčší objem ako voda, preto na nej pláva. Zo 100 cm3 vody vznikne asi 110 cm3 ľadu. Objem sa zväčšuje s veľkou silou, čo má v prírode mimoriadny význam pri mechanickom zvetrávaní hornín (trhanie a rozpad skál v puklinách, v ktorých zamrzla voda). Podľa miesta vzniku a výskytu v prírode rozlišujeme ľad morský, obyčajnovodný, puklinový, jaskynný a ľadovcový. Ďalšími formami vody v tuhom skupenstve sú snehové vločky, snehové krúpy, krúpy (ľadovec), inovať, sivý mráz a námraza.

Kryštálovú štruktúru ľadu sa podarilo rozriešiť modernými fyzikálnymi metódami (rőntgenové a neutrónové štruktúrne metódy). Potvrdila sa príslušnosť ku hexagonálnej kryštalografickej sústave. Ľad poznáme vo viacerých polymorfných modifikáciách. Obyčajný ľad, ktorý vzniká ochladením vody na 0 °C pri atmosferickom tlaku, označuje sa ako ľad I. Tento ľad kryštalizuje v hexagonálnej sústave (ľad Ih). Atómy kyslíka tu vytvárajú vrstvy, ktoré sa skladajú zo šesťčlenných stoličkovito poprehýbaných kruhov (obr.1). Každý kyslíkový atóm je tetraédrický, obklopený štyrmi inými kyslíkovými atómami, z ktorých tri patria do tej istej vrstvy a jeden do susednej hornej alebo spodnej vrstvy. Vzdialenosť medzi jadrami susedných kyslíkových atómov je 0,276 nm. Vodíkové atómy sa nachádzajú na spojniciach atómov kyslíka. Každý atóm kyslíka má dva vodíkové atómy v tesnej blízkosti (0,10 nm) a ďalšie dva vodíkové atómy vo väčšej vzdialenosti (0,176 nm) a je s nimi spojený vodíkovými mostíkmi (obr.2). Uhol H-O-H je presne tetraédirckým (109°28´). Pri pohľade na kryštálovú štruktúru ľadu vidíme, že sú v nej veľké dutiny. „Prázdna“ štruktúra ľadu je príčinou jej menšej hustoty, než je hustota kvapalnej vody za tej istej teploty. Okrem bežnej modifikácie ľadu je známa kubická modifikácia (ľad Ic), vznikajúca pri nízkom tlaku pri teplotách –140 až –80 °C.

Kondenzáciou vodnej pary na podložke za teploty nižšie ako –110 °C vzniká amorfná modifikácia. Pri vysokých tlakoch existuje šesť ďalších modifikácií ľadu (ľad II, III, IV, V, VI, VII), ktoré majú vyššiu hustotu ako obyčajný ľad i ako voda pri 0°C. Ich štruktúry sa vyznačujú tetraédrickým usporiadaním molekúl. Pätinu zemského povrchu celý rok pokrýva sneh. Ročne na zemský povrch spadne asi 500 000 km3 snehu. Snehová pokrývka udržiava životaschopnosť organického sveta počas tuhej zimy. Je lepším „skladiskom“ vody ako všetky priehrady sveta. Nie je teda len zdrojom estetických zážitkov či čerstvým farebným náterom zakrývajúcim naše rušivé zásahy do životného prostredia. Pri ochladzovaní klesá schopnosť vzduchu udržiavať vlhkosť, ktorá začína kondenzovať. Ak sa kondenzácia uskutočňuje za teploty vyššej, ako je teplota mrazu, utvoria sa kvapôčky vody; pri nižšej teplote sa utvoria ľadové kryštály. Jadrom každej kvapky alebo kryštálu sa stávajú nečistoty atmosféry mikroskopických veľkostí. Na vznik jednej snehovej vločky treba asi milión ľadových kryštálov. Počas svojho pádu podlieha snehová vločka ustavičnej premene. Mení sa aj po dopade na zem. Okamžite po padnutí je tvárnou masou. Každá vrstva snehu má odlišnú plasticitu.

Vŕzganie pod nohami, keď kráčame po snehu, je spôsobené rozpadom snehových kryštálov pod tlakom. Je silnejšie v chladnom počasí a s rastúcou teplotou sa postupne tlmí. Priemerná hmotnosť snehu výšky štvrť metra napadnutého na 100 m2 plochy je vyše 2 tony na nížine; vo vyšších polohách je to trocha menej. Z chodníka dlhého 15 m a širokého 1,5 m je možno na každých 40 cm napadnutého snehu odhádzať asi tonu snehu. Meteorológovia používajú rovnicu, podľa ktorej sa 1 centimeter dažďa rovná asi 12 cm snehu. Je to len hrubý odhad – obsah vlhkosti sa môže líšiť natoľko, že na centimeter dažďa pripadá od 5 do 50 cm snehu. Je známe, že pri zamŕzaní morskej vody vzniká ľad, ktorý neobsahuje takmer nijaké soli. V arktických a v antarktických moriach plávajú obrovské ľadovce, ktoré vznikli dlhotrvajúcou premenou snehových zrážok a pomalým sklzom z pevnín Antarktídy či Grónska sa dostali do mora (obr.3).

A práve v ľadovcoch je nahromadená podstatná časť obyčajnej vody na Zemi. Odhaduje sa, že z oblasti a Antarktídy sa každoročne odlamujú obrovské ľadové hory v počte asi 30 000 kusov. Objem týchto obrovských ľadovcov v južných ľadových moriach je až 1200 km3, v Arktíde sa ich dostáva do mora okolo 200 km3. O toto množstvo obyčajnej vody sa obohacuje svetový oceán po ich rozpustení, ale pre ľudstvo je to voda stratená bez využitia. Myšlienka využívať ich na získavanie vody, ktorá by zásobovala suché oblasti na pobreží, nie je nová. Získavanie vody z ľadovca by bolo 8 – 10 krát lacnejšie ako dnešné energeticky náročné odsoľovanie morskej vody. Možno rátať s tým, že preprava ľadovcov z Antarktídy a Arktídy značí začiatok novej éry v riešení problému pitnej vody na celom svete.