Почему лед из кипяченой воды прозрачный?

Краткий ответ: мутный лед возникает из-за растворенных в воде газов (в основном азота и кислорода), которые выходят из раствора при замерзании воды. Маленькие пузырьки, застрявшие во льду, вызывают белый цвет. При кипячении воды растворенный в ней воздух удаляется, в результате чего получается чистый лед. Предполагая, что другие примеси не производят такого же мутного эффекта.

Длинный ответ:

Примеси, присутствующие в воде:

• Газы: Вода при 20°C обычно содержит около 15 частей на миллион растворенных газов, что эквивалентно 1 объему воздуха на 50 объемов воды. Это те же самые газы, которые присутствуют в воздухе, но в разных пропорциях, поскольку некоторые из них более растворимы, чем другие: это около 63% азота, 34% кислорода, 1,5% аргона и 1,5% углекислого газа.

• минералы: Водопроводная вода содержит растворенные минералы, в основном Ca и Mg. Они могут присутствовать в виде бикарбонатов:$Ca^{2+}({HCO_3}^-)_2$а также$Mg^{2+}({HCO_3}^-)_2$(они существуют только в растворе, а не в виде твердых веществ), а также в виде сульфата кальция и магния. Если вода проходит через умягчитель воды, ионы Ca и Mg могут быть заменены (вдвое больше) ионами натрия или калия.

Эффекты нагрева воды:

• удаление растворенных газов: более высокая температура способствует эндотермическим реакциям ( принцип Ле Шателье ). Для газов, присутствующих в воде, растворение (при комнатной температуре) является экзотермическим процессом, поэтому их растворимость уменьшается при нагревании воды. Растворимость газов не достигает нуля при температуре кипения и не обязательно уменьшается во всем диапазоне температур. Для азота в воде энтальпия растворения становится положительной около 75° , а выше этой температуры его растворимость возрастает. При 100°C растворимость воздуха в целом равна$0.93 * 10^{-5}$, примерно половина растворимости при 10°C,$1.82 * 10^{-5}$.

• удаление растворенных минералов: нагревание воды способствует превращению растворимых бикарбонатов кальция и магния в нерастворимые карбонаты ($2 {HCO_3}^-$→$CO_3^{2-} + H_2O + CO_2$), который выйдет из раствора (в виде известкового налета). Сульфаты (иногда называемые «постоянной жесткостью») и (би)карбонаты натрия или калия остаются в растворе.

Эффект кипячения:

• Растворимость газа в жидкости зависит не только от температуры, она прямо пропорциональна парциальному давлению газа. При кипении газовой фазой, контактирующей с водой, является уже не воздух, а водяной пар (в пузырьках и близко к поверхности). В этих пузырьках парциальное давление газов будет близко к нулю, поэтому молекулы газа все равно будут покидать жидкую фазу (а увеличение площади поверхности и движение воды ускоряют процесс), но почти не вернутся. При наличии достаточного времени водяной пар удалит большую часть газа. Кипячение в основном эквивалентно дегазации путем продувки: удаление газа (обычно кислорода) из растворителя путем барботирования через него инертного газа.

Как газы делают лед «молочным/мутным»?

• При замерзании слой льда начинается со всех сторон куба и растет внутрь. Молекулы воды соответствуют кристаллической решетке и будут прилипать к ней, другие молекулы — нет (но если лед растет быстрее, чем молекулы газа могут диффундировать, они попадут в ловушку). Концентрация газов (и других примесей) в оставшейся жидкости повышается, раствор становится пересыщенным, начинают образовываться микропузырьки. Все они застревают во льду, придавая ему молочный вид.

Я действительно парюсь над этим, потому что в последний раз я делал расчеты равновесия 35 лет назад! Но я вполне уверен в частичном ответе (см. обсуждение в конце).

Растворимость газа в воде (или жидкости вообще) почти всегда уменьшается с повышением температуры. Это явление объясняется очень похоже на объяснение увеличения скорости испарения жидкости с температурой. Газы растворяются в жидкостях, потому что молекулы газа находят более низкое энергетическое состояние, связанное с жидкостью. Чем выше температура, тем больше доля молекул газа с тепловой энергией, превышающей энергию связи для процесса растворения. Таким образом, большая часть молекул газа может выйти из жидкости: химическое равновесие реакции растворения смещается в пользу свободных молекул больше, чем связанных, с повышением температуры.

Кипение жидкости снижает концентрацию растворенных газов за счет вышеуказанного эффекта. Обычно смещение равновесия обратно в пользу растворенных газов при понижении температуры означало бы, что при охлаждении жидкость поглощает столько же газа, сколько удаляется в процессе кипения. Хитрость чистого льда заключается в том, что жидкость замерзает слишком быстро для завершения процесса растворения газа — она замерзает необратимо , так что при охлаждении находится далеко от равновесия — в результате чего происходит чистый выброс газа из жидкость путем кипячения перед замораживанием. Как только жидкость замерзнет, ​​газ больше не сможет в ней растворяться, поэтому у вас будет чистый лед.

Обратите внимание, что этот ответ неполный: он не отвечает, почему газ, растворенный в жидкости, образует пузырьки, которые он делает, когда жидкость замерзает, как на правом изображении вашего вопроса. Этот ответ объясняет только отсутствие газа, необходимого для процесса помутнения, поэтому полный ответ должен объяснять, почему растворенный газ выходит из раствора и образует пузырьки при замерзании льда.

Этот ответ был задуман как комментарий к @WetSavannahanimal, также известному как Рэд Вэнс, но он довольно длинный, и я достиг предела количества символов.

Причина непрозрачного центра должна быть связана с тем, как замерзает объем воды. Предположительно, раствор не перемешивается, и сначала замерзает внешняя часть, образуя кристаллическую (ледяную) стенку, через которую газ не может выйти. По мере утолщения стенки из воды высвобождается газ, который затвердевает и превращается в оставшийся центральный раствор. Это концентрирует газ в оставшейся жидкости в центре. Когда концентрация газа в этом растворе достигает значения насыщения жидкости в ее текущем состоянии, часть его выходит из раствора, образуя полости, одновременно должно образовываться некоторое количество льда, возвращая раствор к концентрации насыщения. Это повторяется до тех пор, пока вся вода не замерзнет.

Наблюдение за тем, что чистый лед образуется за счет пузырьков газа через него при замерзании, указывает на то, что перемешивание раствора позволяет насыщенным газам выходить с поверхности всего объема воды по мере того, как твердое вещество формируется, а не образуется в центре.

Теперь можно задаться вопросом, почему не существует только одного пузыря. Первая причина, с точки зрения объемного раствора, заключается в том, что вода постепенно замерзает, образуя пузырьки. На самом деле оно колеблется вокруг равновесного состояния раствора, то есть точки газонасыщения замерзающего раствора. Точные условия этой точки будут немного меняться по мере замерзания жидкости. Давление, при котором замерзал лед в центре, вероятно, больше, чем давление, при котором, например, замерзал поверхностный лед, точно так же температура, при которой он замерзал, также может варьироваться. Вероятно, существует также эффект концентрации, то есть, когда эта точка равновесия смещается относительно точки насыщения газа, это изменение концентрации также немного влияет на температуру замерзания. Во время замораживания действуют около четырех эффектов (температура, давление, объем и концентрация газа). Второй эффект, с точки зрения конечного объема, заключается в том, что локально вокруг полости вода может испытать «прилив газа», который может локально заморозить пленку воды, инкапсулирующую пузырек, следовательно, окончательное сложное расположение полостей, а не образование одного пузыря.

Теперь можно просто увидеть эти различия в температуре замерзания, используя трюк с поляризатором. До сих пор я видел это только с прозрачным пластиком, но это должно работать и здесь. В следующий раз, когда пойдете в кино, наденьте пару 3D-очков. выньте две поляризационные линзы и держите их по обе стороны от кубика льда, немного повернув их, вы должны увидеть внутреннюю кристаллическую структуру льда в виде беспорядка закрученных линий. Вероятно, вы должны увидеть больше завихрений или рассеяния в центре рядом с пузырьками, что указывает на локальные изменения в кристаллической структуре. Вы должны сравнить это с прозрачным кубом.

Есть еще один трюк, который вы можете попробовать. Если бы вы в какой-то степени контролировали замерзание льда, вы могли бы контролировать образование пузырей. Например, наши лотки для льда пластиковые, и у нас, как правило, прозрачный верхний слой с пузырьками, образующимися в нижней части кубика. Я подозреваю, что пластик сохраняет тепло и задерживает замерзание дна и стенок куба. Я подозреваю, что если нагреть или даже охладить лоток для льда перед формированием льда, можно увидеть другое формирование полостей (как показано на втором изображении здесь ).Например). Если вы использовали металлический лоток для льда, вы должны увидеть эффект, который вы наблюдали. Если вы объедините металлический и пластиковый лоток для льда, вы можете получить больше пузырьков ближе к пластиковой стороне. Возможно, вы даже сможете получить эффект горошка/взрыва/кляксы, нанеся клей в металлический лоток или удерживая металлический стержень внутри объема, пока вы его замораживаете. Хотя вы могли бы просто добавлять точки для образования и выхода газа, что приводит к четким кубам. В качестве альтернативы вы можете просто получить каррат (шляпу) . Этот парень , похоже, проделал за вас большую часть работы. К счастью, после экспериментов ему, кажется, нравится пить (YMMV).

Если вам действительно интересно, вы должны посмотреть, проводило ли НАСА какие-либо эксперименты по замораживанию в космосе, это может показать другие методы, с помощью которых можно контролировать образование пузырей. Точно так же вы можете найти кадры замораживания с высокоскоростной камеры, во время которых вы должны увидеть некоторые интересные эффекты по мере образования пузырей (хотя это немного противоречивое использование этих камер, и я сомневаюсь, что люди, владеющие ими, думали использовать их для этой цели. ).