Question

Почему вода во льдах пресная?

Answer 1

Растворимость солей во льду крайне мала. Причина этому следующая.

Лед состоит из молекул воды, находящихся в узлах кристаллической решетки. Соседние молекулы могут обмениваться протоном, в результате чего образуется гидроксил-анион и катион гидроксония. Но возникший диполь создает сильное электрическое поле, которое тут же возвращает протон обратно. Только в случае наличия в соседнем узле кристаллической решетки вакансии (свободный узел кристаллической решетки) один из ионов может в него перескочить, что приведет к стабилизации иона -- в отличие от жидкой воды, где из-за отсутствия дальнего порядка подвижность ионов значительно выше и вероятность оказаться на значительном расстоянии друг от друга и стабилизироваться у них много выше, чем в кристаллической решетке льда. Поэтому концентрация ионов в жидкой воде довольно высока. Это приводит к тому, что окружающие катион натрия или хлорид-анион ионы гидроксила и гидроксония экранируют электрическое поле этих ионов, уменьшая их сродство друг к другу. В результате энергетически выгодным становится переход ионов в раствор (за счет энтропийного фактора и теплоты сольватации). Фактическое отсутствие ионов гидроксила и гидроксония во льду и низкая их подвижность приводят к отсутствию экранирования, поэтому свободный ион натрия или хлорида сильно притягивается к кристаллической решетке хлорида натрия. И энергетически выгодным становится как раз переход ионов из свободного состояния (в качестве дефектов кристаллической решетки льда) в фазу хлорида натрия.

Поэтому когда соленая вода замерзает, образуется пресный лед, содержащий очень мало солей, а концентрация солей возрастает. И только в самом конце, когда оставшаяся вода с солью превращаются в насыщенный раствор, начинается кристаллизация соли, при этом освободившаяся вода тут же замерзает в виде льда, и взаимосвязанные кристаллизация воды и соли идут неразделимо в одном и том же объеме. В итоге получается очень тонко перемешанная смесь льда и соли -- эвтектика (если точнее, в случае хлористого натрия и воды образуется еще одна фаза -- гидрогалит, NaCl*2H2O, и именно она образует эвтектику)