lód

Lód – woda w stałym stanie skupienia; bezbarwna, przezroczysta substancja o budowie krystalicznej utworzonej z cząsteczek wody powiązanych ze sobą za pośrednictwem wiązań wodorowych w luźną sieć cząsteczkową cechującą się stosunkowo dużą trwałością. Wiązania wodorowe utrzymują wszystkie cząsteczki wody w pewnej odległości od siebie, co przekłada się na dużą objętość kryształu lodowego i nieco mniejszą liczbą zawartych w niej cząsteczek w porównaniu z analogiczną objętością wody ciekłej. Gęstość lodu w temperaturze 0°C przy ciśnieniu 101,325 Pa osiąga wartość 0,9167 g/cm³, więc jest ok. 10% niższa niż gęstość wody w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury (0,9998 g/cm³). Dzięki tej właściwości lód unosi się na powierzchni wody tworząc powłokę termoizolacyjną, chroniącą głębsze warstwy zbiorników wodnych (jezior i mórz polarnych) przed zamarznięciem i umożliwia przetrwanie zasiedlającym je organizmom żywym. Pokrywa lodowa występująca w strefie podbiegunowej Ziemi (np. lodowce kontynentalne, pak lodowy) oraz na obszarach wysokogórskich (lodowce górskie) wraz z produktami resublimacji pary wodnej opadającymi z chmur na powierzchnię ziemi w postaci kryształków lodowych (np. śniegiem) lub osadzającymi się na wychłodzonym podłożu lub powierzchniach przedmiotów (np. szronem) pełnią istotną rolę w obiegu wody na kuli ziemskiej (cyklu hydrologicznym). Pokrywa lodowa jest również siedliskiem życia dla wielu gatunków zwierząt polarnych (np. morsów, fok grenlandzkich, niedźwiedzi polarnych).

Występowanie lodu na kuli ziemskiej

Woda jest najbardziej rozpowszechnioną substancją na kuli ziemskiej i jedyną występującą naturalnie w przyrodzie we wszystkich trzech stanach skupienia – stanie stałym (jako lód), stanie ciekłym (jako woda) oraz stanie gazowym (jako para wodna). Lód, czyli woda w stałym stanie skupienia, obecny jest w hydrosferze głównie w postaci pokrywy lodowej obszarów strefy podbiegunowej (polarnej) – obszarów lądowych (lądolody – lodowce kontynentalne Antarktydy i Grenlandii; czapy lodowe Islandii i arktycznej części Ameryki Północnej) oraz wód morskich i oceanicznych (lodowce przybrzeżne, lodowce szelfowe, góry lodowe, lód dryfujący, tzw. pak lodowy). Pokrywa lodowa charakterystyczna jest także dla obszarów wysokogórskich różnych stref klimatycznych położonych powyżej linii wiecznego śniegu  (lodowce górskie, np. lodowce dendrytyczne Himalajów, lodowce dolinne Alp, lodowce karowe Pirenejów, lodowce sieciowe Spitsbergenu, lodowce fieldowe Gór Skandynawskich). Lód występuje również w atmosferze w postaci kryształków lodu w górnych partiach chmur oraz górnej warstwie litosfery w postaci lodu gruntowego (np. wieczna zmarzlina Syberii). Może pojawiać się w okresie zimowym w strefie umiarkowanej kuli ziemskiej pokrywając gładką taflą zamarzające warstwy powierzchniowe zbiorników wodnych (np. stawów, jezior). Kryształki lodu powstające w atmosferze w wyniku procesu kondensacji, a ściślej zestalania (resublimacji) pary wodnej zachodzącym przy pełnym nasyceniu powietrza atmosferycznego parą wodną mogą tworzyć opady bądź osady atmosferyczne (tzw. opady utajone). Opady atmosferyczne opadające z chmur na powierzchnię ziemi w postaci kryształków lodowych obejmują śnieg, śnieg ziarnisty, grad, ziarna lodowe i pył diamentowy. Osady atmosferyczne, osadzające się na wychłodzonym podłożu lub przedmiotach w postaci lodowych kryształków bądź gładkiej warstwy lodu, obejmują szron, szadź, zamróz (nalot stały) oraz gołoledź. 

Budowa i właściwości chemiczne lodu

Lód stanowi stały stan skupienia wody, czyli monotlenku diwodoru (H₂O) – nieorganicznego związku chemicznego zbudowanego z dwóch atomów wodoru (H) przyłączonych do atomu tlenu (O) za pośrednictwem pojedynczych wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych. Woda jest substancją posiadającą budowę polarną, co wynika z nierównomiernego rozmieszczenia ładunków elektrycznych w jej cząsteczce spowodowanego przesunięciem elektronów wiązań kowalencyjnych w kierunku atomu tlenu o większej elektroujemności (atomu o większym powinowactwie elektronowym). Skutkiem polaryzacji wiązań w cząsteczce wody jest region tlenowy o częściowym ładunku ujemnym (δ-) oraz region wodorowy posiadający częściowy ładunek dodatni (δ+). Polarne cząsteczki wody mogą więc łączyć się z innymi cząsteczkami wody w większe zespoły (tzw. asocjaty) za pośrednictwem wiązań wodorowych tworzących się na drodze elektrostatycznego przyciągania ujemnie naładowanego regionu tlenowego jednej cząsteczki przez dodatnio naładowany region wodorowy drugiej cząsteczki. Zespoły cząsteczkowe w wodzie ciekłej są strukturami o niewielkiej trwałości, co spowodowane jest ciągłym rozpadem i powstawaniem łączących je wiązań wodorowych; w przeciwieństwie do wody ciekłej powiązane wiązaniami wodorowymi cząsteczki wody w stanie stałym (lodzie) tworzą uporządkowaną sieć krystaliczną o stosunkowo dużej trwałości.

Każda cząsteczka wody w stanie stałym (lodzie) powiązana jest wiązaniami wodorowymi (mostkami wodorowymi) z czterema sąsiednimi cząsteczkami wody położonymi w narożach czworościanu foremnego (tetraedru). Pojedynczy atom tlenu każdej cząsteczki powiązany jest wiązaniami kowalencyjnymi z własnymi atomami wodoru oraz wiązaniami wodorowymi z atomami wodoru dwóch sąsiednich cząsteczek wody; natomiast atomy wodoru tej samej cząsteczki łączą się wodorowo z atomami tlenu dwóch pozostałych cząsteczek wody. Atom tlenu znajduje się więc w środku czworościanu foremnego, natomiast związane z nim atomy wodoru w jego narożach. Wiązania wodorowe utworzone pomiędzy atomami tlenu i wodoru utrzymują wszystkie cząsteczki wody w pewnej odległości od siebie, czego konsekwencją jest powstanie luźnej struktury krystalicznej. Kryształ lodu zajmuje więc dużą przestrzeń, w której zawiera się mniejsza liczba cząsteczek w porównaniu z analogiczną objętością wody ciekłej, cechującą się ściśle upakowanym układem zespołów cząsteczkowych. Lód, w zależności od zróżnicowanych warunków ciśnienia i temperatury, może występować w licznych odmianach krystalograficznych różniących się strukturą sieci krystalicznej (tzw. polimorfizm). Odmiany polimorficzne lodu obejmują np. odmianę heksagonalną (lód Ih), odmianę trygonalną (lód II), odmianę tetragonalną (lód III), odmianę jednoskośną (lód V), odmianę regularną (lód VII), odmianę trójskośną (lód XV) oraz odmianę bezpostaciową (tzw. lód amorficzny).

Właściwości fizyczne lodu

Lód, czyli woda w stałym stanie skupienia, jest krystalicznym, bezbarwnym i przezroczystym ciałem stałym pozbawionym smaku i zapachu. Kryształy lodu, tak jak woda w stanie ciekłym silnie absorbują światło czerwone i żółte, odbijając światło niebieskie. Wiązania wodorowe tworzące sieć krystaliczną lodu przesuwają widmo absorpcji tej substancji w kierunku nieco niższych energii w porównaniu z widmem absorpcji wody. Lód posiada więc niebieską barwę z bardziej intensywnym odcieniem zieleni niż woda w stanie ciekłym (barwę turkusową), co szczególnie dobrze widoczne jest w grubszych warstwach lodu (np. lodowcach). Przejrzystość i barwa lodu zależy również w dużym stopniu od obecności zanieczyszczeń (np. pęcherzyków powietrza, osadów, glonówobjętość właściwą i mniejszą gęstość w porównaniu z wodą.

Gęstość lodu w temperaturze 0°C i ciśnieniu 101,325 Pa osiąga wartość 0,9167 g/cm³, więc jest ok. 10% niższa niż gęstość wody w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury (0,9998 g/cm³), dzięki czemu lód może unosić się na powierzchni wody. Gęstość lodu wzrasta nieznacznie wraz ze spadkiem temperatury, osiągając wartość 0,9340 g/cm³ przy temperaturze –180°C. Lód topi się w temperaturze 0°C, czemu towarzyszy spadek objętości właściwej oraz wzrost gęstości wynikającej z bardziej ścisłego upakowania cząsteczek w wodzie w stanie ciekłym. Ciepło topnienia lodu, czyli energia potrzebna do stopienia określonej jednostki masy lodu, czyli rozerwania wiązań wodorowych utrzymujących strukturę krystaliczną tej substancji, wynosi 333,7 kJ/kg. Wszystkie stany skupienia wody – lód (stan stały), woda (stan ciekły) oraz para wodna (stan gazowy) współistnieją w stanie równowagi termodynamicznej przy temperaturze 0,01°C i ciśnieniu 611,73 Pa w tzw. punkcie potrójnym wody.

Znaczenie biologiczne lodu

Pokrywa lodowa występująca w strefie podbiegunowej Ziemi (np. lodowce kontynentalne, czapy lodowe, pak lodowy) i na obszarach wysokogórskich powyżej linii wiecznego śniegu (lodowce górskie) wraz z produktami kondensacji atmosferycznej pary wodnej opadającymi na powierzchnię ziemi w postaci kryształków lodu (opadami atmosferycznymi, np. śniegiem, gradem) bądź osadzającymi się na wychłodzonym podłożu (osadami atmosferycznymi, np. szronem, szadzią) są istotnymi składnikami obiegu wody na Ziemi (cyklu hydrologicznym). Pokrywa lodowa odbija również 80-90% energii promieniowania cieplnego docierającego ze Słońca, regulując wymianę ciepła pomiędzy powierzchnią ziemi i atmosferą, co ma istotny wpływ na cyrkulację wód (np. cyrkulację oceaniczną) oraz warunki klimatyczne na całej kuli ziemskiej. Lód unoszący się na powierzchni wody tworzy powłokę termoizolacyjną chroniącą głębsze warstwy zbiorników wodnych (np. jezior i mórz polarnych) przed wychłodzeniem lub zamarznięciem, umożliwiając przetrwanie zasiedlającym te ekosystemy organizmom żywym (np. kryla antarktycznego i żywiących się tymi skorupiakami ptaków morskich, fok i waleni). Pokrywa lodowa kuli ziemskiej (np. przybrzeżne platformy lodowe, pola lodowe, pak lodowy) stanowi również stałe siedlisko życia dla wielu gatunków zwierząt północnej strefy polarnej (Arktyki), np. morsów arktycznych, fok grenlandzkich i niedźwiedzi polarnych; i południowej strefy polarnej (Antarktyki), np. pingwinów cesarskich, pingwinów Adeli, fok krabojadów).