Led

Led (chemický vzorec H2O) je pevné skupenství vody. Pokud vznikl přírodním procesem, je považován za minerál, v některých mineralogických systémech se však neuvádí vůbec nebo pouze okrajově.

Vznik

Při běžném atmosférickém tlaku tekutá voda tuhne v led při teplotě 0 °C (273,15 K, 32 °F). Jestliže jsou ve vodě rozpuštěny další látky (např. +more sůl kamenná), může voda zůstat tekutá i při teplotách pod bodem mrazu.

Morfologie

Dobře vyvinuté krystaly jsou vzácné, nejčastěji celistvé, rozpadavé, zrnité či sypké agregáty. V atmosféře se vyskytuje v podobě sněhových vloček - kostrovitých krystalů (složitě členěných šestiramenných hvězd), které jsou zploštělé podle {0001}.

Formy ledu

Led existuje v mnoha formách, např.: * sníh, ledovec * kroupy * jinovatka, námraza * kra * rampouch

Světová meteorologická organizace definuje různé druhy ledu v závislosti na původu, velikosti, tvaru, váze, atd.

Vlastnosti

Fyzikální vlastnosti: Lze rýpat nehtem (má tvrdost 1,5), hustota 0,917 g/cm³, křehký, neštěpný, lom je lasturnatý. Při dlouhodobém působení tlaku plastický, tepelně nestálý - taje při teplotě 0 °C. +more Při teplotách pod −80 °C krystaluje v krychlové soustavě. Relativní permitivita εr je 3,1. * Optické vlastnosti: Barva: čirý až mléčně zakalený, namodralá, modrozelená, bílá. Průhledný až průsvitný, vryp je bílý, lesk skelný. * Chemické vlastnosti: Složení: H 11,19 %, O 88,81 %.

Naleziště

Běžný, byť v teplejších oblastech sezónní výskyt. Je významnou součástí půd a sedimentů ve vyšších zeměpisných a nadmořských výškách.

Využití

Prodavač ledu (1872) Dříve těžen v zimních měsících tzv. +more ledaři, uskladněn v ledárnách, používal a dodnes se používá k chlazení potravin v teplejších obdobích roku. V současnosti se led k témuž účelu vyrábí průmyslově. Další využití: skladování potravin a zboží podléhající rychlé zkáze, provozování ledových kluzišť a zimních stadionů. Kostky ledu najdou využití při přípravě chlazených nápojů (popř. po rozmixování jako ledové tříště) a nebo při ošetřování poranění jako jsou vymknutí kloubů, otoky či po kousnutí, bodnutí, uštknutí. Mezi raritní využití patří výroba soch a skulptur z ledu jako ozdoba na party nebo ledový hotel (např. Jukkasjärvi Ice Hotel).

Exotické fáze ledu

+more6'>Fázový diagram H2O Předchozí odstavce pojednávají o nejběžnější pevné fázi ledu, označované jako led Ih. Vyznačuje se šesterečnou (hexagonální) krystalovou strukturou. Je stabilní při teplotách od bodu tuhnutí až k 73 K a tlacích do 200 MPa. * Led Ic je metastabilní fází s krychlovou (kubickou) krystalovou strukturou podobnou diamantu. Vzniká při teplotách 130-150 K a zůstává stabilní až do 200 K, kde přechází ve fázi Ih. Vyskytuje se ojediněle v horních vrstvách atmosféry.

Ostatní pevné krystalické fáze (s výjimkou ledu XI) jsou umělé. Některé by se mohly vyskytovat na ledových planetách (např. +more na Jupiterově Ganymedu). Ve stručné charakteristice jsou uvedeny typické podmínky vzniku, přesný fázový diagram je složitější: * Led II je fází s klencovou (trigonální) krystalovou strukturou. Vzniká z ledu Ih při teplotě 198 K a tlaku 300 MPa. * Led III je fází s čtverečnou (tetragonální) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při teplotě 250 K a tlaku 300 MPa. * Led IV je metastabilní fází s klencovou (trigonální) krystalovou strukturou. Vzniká při teplotě od 145 K a tlaku 810 MPa pomalým ohřátím amorfního ledu HDA (viz níže). * Led V je fází s jednoklonnou (monoklinickou) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při teplotě 253 K a tlaku 500 MPa. * Led VI je fází s čtverečnou (tetragonální) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při teplotě 270 K a tlaku 1100 MPa. * Led VII je fází s krychlovou (kubickou) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při tlaku nad 2200 MPa. Při zvyšování tlaku nad 5100 MPa přechází do přechodové fáze se čtverečnou (tetragonální) strukturou, nazývané led VIIt, a po zvýšení tlaku nad cca 31 GPa přechází v led X. * Led VIII je fází s čtverečnou (tetragonální) krystalovou strukturou. Vzniká z ledu VII ochlazením pod 278 K. * Led IX je metastabilní fází s čtverečnou (tetragonální). Vzniká z ledu III prudkým ochlazením na teplotu 165 K. Je stabilní při teplotách pod 140 K a tlacích 200-400 MPa. * Led X je fází s krychlovou (kubickou) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při tlaku nad 70 GPa. * Led XI je fází s kosočtverečnou (ortorombickou) krystalovou strukturou. Vzniká z ledu Ih při nízkých teplotách. Je nejstabilnější pevnou fází vody. Byl nalezen v antarktickém ledu. * Led XII je metastabilní fází s čtverečnou (tetragonální) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při teplotě 260 K a tlaku 550 MPa (v oblasti stability ledu V), nebo z ledu Ih prudkým stlačením (cca 1000 MPa/min), případně ohřátím amorfního ledu HDA při tlacích 800-1600 MPa. * Led XIII je fází s jednoklonnou (monoklinickou) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při teplotě pod 130 K a tlaku 500 MPa. * Led XIV je fází s kosočtverečnou (ortorombickou) krystalovou strukturou. Vzniká tuhnutím vody při teplotě 118 K a tlaku 1200 MPa. * Led XV, experimentálně prokázaný neutronovou difrakcí v r. 2009, je termodynamicky stabilní při teplotách pod cca 130 K a tlacích v rozmezí 0,8-1,5 GPa. Uspořádáním vodíkových atomů je protějškem ledu VI, takže výsledná struktura je antiferoelektrická (elektrická polarizace ledu jako dielektrika je obdobná magnetické polarizaci antiferomagnetik). * Led XVI je krystalickou fází uměle připravenou v r. 2014 vyprázdněním klathrátu původně obsahujícího neonové molekuly obestavěné strukturou vázaných vodních molekul. Má nejmenší hustotu ze známých (experimentálně vytvořených) krystalických forem ledu, třebaže teoretické výpočty ukazují na možnost fází s ještě nižší hustotou, majících strukturu obdobnou zeolitům, které by mohly existovat za velmi nízkých tlaků, tzv. aeroledů. * Led XVII je krystalickou fází s pórovitou strukturou, uměle připravenou v r. 2016 vyprázdněním vodíkových molekul z vázané struktury s molekulami vody. * Led XVIII není klasickou krystalickou fází, ale superionickým ledem s plošně centrovanou mřížkou atomů kyslíku, vizte níže. * Led XIX, experimentálně prokázaný neutronovou difrakcí v r. 2021, je velmi podobný (včetně antiferoelektrismu) ledu XV (byl za něj původně považován), vznikající pomalým chlazením při tlacích nad 2 GPa nebo ve vodě dopované těžkou vodou. V r. 2022 bylo experimentálně prokázáno, že se jedná o superionický led s kubickou prostorově centrovanou mřížkou, vizte níže.

Teoreticky byly předpovězeny další krystalické fáze ledu pro podmínky na Zemi dosud nedosažitelné, např. pro tlaky řádu TPa.

Odlišné chování může mít i krystalický led tvořený polotěžkou či těžkou vodou. Např. +more struktura ledu VII se pro těžkou vodu podstatně liší a je tvořena kyslíkovou mřížkou s deuterony v intersticiálních polohách.

Amorfní led

Další pevné fáze ledu jsou amorfní. Amorfní led je využíván například v kryoelektronové mikroskopii. +more Dosud jsou známy následující formy: * Amorfní led LDA - „low density amorphous“ (též ASW - „amorphous solid water“ či HGW - „hyperquenched glassy water“) má skelnou amorfní strukturu a vzniká např. pomalým napařováním na malý kovový krystalový povrch při nízké teplotě. Předpokládá se, že je běžný v podpovrchových vrstvách komet. * Amorfní led MDA - „medium-density amorphous“, objevený v roce 2023, má hustotu stejnou jako kapalná voda. Může existovat uvnitř měsíců okrajové části Sluneční soustavy. * Amorfní led HDA - „high density amorphous“ lze vytvořit stlačením ledu Ih při teplotách pod 140 K tlakem kolem 1600 MPa nebo stlačením LDA tlakem cca 500 MPa. * Amorfní led VHDA - „very high density amorphous“ vzniká ohřátím HDA při tlacích 1000-2000 MPa.

Superionický led

Jiným druhem fáze na přechodu mezi kapalným a pevným skupenstvím je vedle amorfních fází ledu tzv. superionický led (SI) (jiným názvem superionická voda). +more V její kompaktní krystalové mřížce mají pevnou polohu pouze atomy kyslíku, zatímco atomy vodíku se v ní mohou pohybovat podobně jako v kapalině. Superionická vodivost ledu za vysokých tlaků a teplot byla předpovězena na základě molekulárně-dynamických simulací již v r. 1988, experimentálně však byla poprvé prokázána až v r. 2017. Jsou známy 3 možné fáze superionického ledu: * Tzv. BCC-SI s kubickou prostorově centrovanou mřížkou (bcc fáze, podle anglického body centered cubic lattice) byla objevena v r. 1999 pomocí počítačové simulace v týmu vědců vedeném Carlem Cavazzonim. Měla by se vyskytovat při tlacích přesahujících 50 GPa a teplotách několik tisíc kelvinů. Později byly pozorovány i příznaky její skutečné existence v kosmu. * Tzv. CP-SI s nejtěsnějším uspořádáním (podle anglického close-packed), tedy s kubickou plošně centrovanou mřížkou (fcc fáze, podle anglického face centered cubic lattice) byla teoreticky objevena v r. 2013 týmem vedeným Hugh F. Wilsonem a v některých oblastech fázového diagramu by měla být stabilnější, než superionická bcc fáze. Typický tlak pro její existenci je nad 100 GPa; při této hodnotě by mělo docházet k fázovému přechodu mezi bcc a fcc fází. Superionická fcc fáze má vyšší hustotu, ale nižší pohyblivost atomů vodíku, což by se mělo projevovat i nižší tepelnou a elektrickou vodivostí. Předpokládá se, že by se mohla stejně jako bcc fáze vyskytovat v nitru Uranu a Neptunu a v exoplanetách s podobnými podmínkami. V roce 2019 byly pomocí rázové vlny vzniklé od laserového pulsu vzorky kapalné vody lokálně stlačeny na 100-4000 GPa a současně zahřáty na 2000-3000 K a pomocí difrakce rentgenových paprsků byl prokázán vznik superionického fcc ledu; autoři tuto fázi nazvali ledem XVIII. * Tzv. P21/c-SI, fáze se složitější symetrií kyslíkové mříže, předpovězená týmem vědců Princetonské university v r. 2015, se ve fázovém diagramu nachází v oblasti ještě vyšších tlaků než CP-SI. Její výskyt se předpokládá (jako u předchozích fází) v plášti velkých plynových planet - existenci superionického ledu naznačuje složitá struktura jejich lokálních magnetických polí.

Reference

Literatura

Související články

Seznam minerálů * voda - výskyt vody a ledu ve vesmíru * přechlazená voda * permafrost - věčně zmrzlá půda * ledovec * zrnitý led * ledoborec * Sněhovo-ledový splaz * Ledovcový splaz

Externí odkazy

[url=http://webmineral. com/data/Ice. +moreshtml]Led na webu Webmineral (anglicky)[/url] * [url=http://www. mindat. org/min-2001. html]Led na webu mindat. org (anglicky)[/url] * [url=http://www. mineralienatlas. de/lexikon/index. php/Eis]Led v Atlasu minerálů (německy)[/url] * [url=https://phys. org/news/2023-01-video-exploring-kinds-ice. html]Video: Exploring the 74,963 different kinds of ice[/url]. Phys. Org, 2023-01-20 - stručný průvodce exotickými fázemi ledu (anglicky).

Kategorie:Glaciologie Kategorie:Minerály Kategorie:Minerály 4. +more třídy Kategorie:Oxidy (minerály).