Сухой лед в разговорной речи означает твердую форму углекислого газа . Он обычно используется для временного охлаждения, поскольку CO2 не имеет жидкого состояния при нормальном атмосферном давлении и напрямую возгоняется из твердого состояния в газообразное . Он используется в основном как охлаждающий агент , но также используется в туманообразующих машинах в театрах для драматических эффектов. Его преимущества включают более низкую температуру, чем у водяного льда , и отсутствие остатков (кроме случайного инея от влаги в атмосфере). Он полезен для сохранения замороженных продуктов (например, мороженого), где механическое охлаждение недоступно.
Сухой лед возгоняется при 194,7 К (−78,5 °C; −109,2 °F) при атмосферном давлении Земли . Этот экстремально холодный материал делает его опасным для работы без защиты от обморожения . Хотя он в целом не очень токсичен, его выделение газа может вызвать гиперкапнию (аномально повышенный уровень углекислого газа в крови) из-за накопления в замкнутых пространствах.
Сухой лед — это твердая форма диоксида углерода (CO 2 ), молекула, состоящая из одного атома углерода, связанного с двумя атомами кислорода . Сухой лед бесцветен, не имеет запаха и не воспламеняется, а также может снижать pH раствора при растворении в воде , образуя угольную кислоту (H 2 CO 3 ). [1]
При давлении ниже 5,13 атм и температуре ниже −56,4 °C (216,8 K; −69,5 °F) ( тройная точка ), CO 2 переходит из твердого состояния в газообразное без промежуточной жидкой формы, посредством процесса, называемого сублимацией . [a] Противоположный процесс называется осаждением , при котором CO 2 переходит из газообразного состояния в твердое (сухой лед). При атмосферном давлении сублимация/осаждение происходит при 194,7 K (−78,5 °C; −109,2 °F). [2]
Плотность сухого льда увеличивается с понижением температуры и колеблется между примерно 1,55 и 1,7 г/см3 ( 97 и 106 фунтов/куб. фут) ниже 195 К (−78 °C; −109 °F). [3] Низкая температура и прямая сублимация в газ делают сухой лед эффективным хладагентом , поскольку он холоднее водяного льда и не оставляет следов при изменении состояния. [4] Его энтальпия сублимации составляет 571 кДж/кг (25,2 кДж/моль, 136,5 калорий/г).
Сухой лед неполярен , его дипольный момент равен нулю, поэтому действуют притягивающие межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса . [5] Такой состав обеспечивает низкую тепло- и электропроводность . [6]
Принято считать, что сухой лед впервые наблюдал в 1835 году французский изобретатель Адриен-Жан-Пьер Тилорье (1790–1844), который опубликовал первый отчет об этом веществе. [7] [8] В своих экспериментах он заметил, что при открытии крышки большого цилиндра, содержащего жидкий диоксид углерода , большая часть жидкого диоксида углерода быстро испарялась. В результате в контейнере оставался только твердый сухой лед. В 1924 году Томас Б. Слейт подал заявку на патент США на коммерческую продажу сухого льда. Впоследствии он стал первым, кто сделал сухой лед успешным в качестве отрасли . [ 9] В 1925 году эта твердая форма CO2 была зарегистрирована как торговая марка DryIce Corporation of America как «Сухой лед», что привело к его общему названию. [10] В том же году DryIce Co. впервые продала вещество на коммерческой основе, продавая его для целей охлаждения. [9]
Сухой лед легко изготовить. [11] [12] Наиболее распространенный промышленный метод производства сухого льда начинается с газа с высокой концентрацией углекислого газа. Такие газы могут быть побочным продуктом другого процесса, такого как производство аммиака из азота и природного газа , деятельность нефтеперерабатывающих заводов или крупномасштабная ферментация . [12] Во-вторых, газ, богатый углекислым газом, сжимается и охлаждается до тех пор, пока он не превратится в жидкость. Затем давление снижается. Когда это происходит, часть жидкого углекислого газа испаряется, вызывая быстрое понижение температуры оставшейся жидкости. В результате экстремальный холод заставляет жидкость затвердевать в консистенцию, похожую на снег. Наконец, твердый углекислый газ, похожий на снег, сжимается в небольшие гранулы или более крупные блоки сухого льда. [13] [14]
Сухой лед обычно производится в трех стандартных формах: большие блоки, маленькие ( диаметром 1 ⁄ 2 или 5 ⁄ 8 дюйма [13 или 16 мм]) цилиндрические гранулы и крошечные (диаметром 1 ⁄ 8 дюйма [3,2 мм]) цилиндрические гранулы с высоким отношением поверхности к объему, которые плавают на поверхности масла или воды и не прилипают к коже из-за их большого радиуса кривизны. Крошечные гранулы сухого льда используются в основном для струйной обработки сухим льдом , быстрой заморозки, пожаротушения, затвердевания масла и были признаны безопасными для экспериментов учащихся средних школ, надевающих соответствующие средства индивидуальной защиты, такие как перчатки и защитные очки. Наиболее распространен стандартный блок весом около 30 кг (66 фунтов) [ требуется ссылка ] , покрытый бумажной оберткой, заклеенной лентой. Они обычно используются при транспортировке, поскольку они сублимируют относительно медленно из-за низкого отношения площади поверхности к объему. Гранулы имеют диаметр около 1 см (0,4 дюйма) и их легко упаковывать. Эта форма подходит для использования в небольших масштабах, например, в продуктовых магазинах и лабораториях , где она хранится в плотно изолированном ящике. [15] Плотность гранул составляет 60–70% от плотности блоков. [16]
Сухой лед также производится как побочный продукт криогенного разделения воздуха , отрасли, в первую очередь занимающейся производством чрезвычайно холодных жидкостей, таких как жидкий азот и жидкий кислород . В этом процессе углекислый газ сжижается или замерзает при гораздо более высокой температуре по сравнению с той, которая необходима для сжижения азота и кислорода . Углекислый газ должен быть удален в ходе процесса, чтобы предотвратить загрязнение оборудования сухим льдом, и после отделения может быть переработан в коммерческий сухой лед способом, аналогичным описанному выше.
Наиболее распространенное применение сухого льда — сохранение продуктов питания [1] с использованием нециклического охлаждения .
Его часто используют для упаковки предметов, которые должны оставаться холодными или замороженными, например, мороженого или биологических образцов, при отсутствии возможности или целесообразности механического охлаждения .
Сухой лед имеет решающее значение при использовании некоторых вакцин, которые требуют хранения при сверхнизких температурах по всей линии их поставок. [17]
Сухой лед можно использовать для мгновенной заморозки продуктов питания [18] или лабораторных биологических образцов, [19] газированных напитков [18] , приготовления мороженого [20] , затвердевания разливов нефти [21] и предотвращения таяния ледяных скульптур и ледяных стен.
Сухой лед можно использовать для остановки и предотвращения активности насекомых в закрытых контейнерах с зерном и зерновыми продуктами, поскольку он вытесняет кислород, но не изменяет вкус или качество продуктов. По той же причине он может предотвратить или замедлить прогорклость пищевых масел и жиров .
Когда сухой лед помещают в воду, сублимация ускоряется, и создаются низко опускающиеся, плотные облака дымообразного тумана. Это используется в машинах для создания тумана , в театрах , аттракционах «дом с привидениями» и ночных клубах для создания драматических эффектов. В отличие от большинства машин для создания искусственного тумана , в которых туман поднимается как дым, туман из сухого льда парит у земли. [14] Сухой лед полезен в театральных постановках, где требуются эффекты густого тумана. [22] Туман возникает из объема воды, в который помещают сухой лед, а не из атмосферного водяного пара (как принято считать). [23]
Иногда его используют для замораживания и удаления бородавок . [24] Однако жидкий азот лучше справляется с этой ролью, так как он холоднее, поэтому требует меньше времени для воздействия и меньшего давления для хранения. [25] Сухой лед имеет меньше проблем с хранением, поскольку его можно получать из сжатого углекислого газа по мере необходимости. [25]
В сантехнике сухой лед используется для перекрытия потока воды в трубах, чтобы можно было производить ремонт без отключения водопровода. Сжатый жидкий CO2 нагнетается в рубашку, обернутую вокруг трубы, что, в свою очередь, приводит к замерзанию воды внутри и блокировке трубы. После завершения ремонта рубашку снимают, а ледяная пробка тает, позволяя потоку возобновиться. Этот метод можно использовать на трубах диаметром до 4 дюймов или 100 мм. [26]
Сухой лед можно использовать в качестве приманки для ловли комаров , клопов и других насекомых, поскольку их привлекает углекислый газ. [27]
Его можно использовать для уничтожения грызунов. Это делается путем бросания гранул в туннели грызунов в земле, а затем запечатывания входа, таким образом, заставляя животных задыхаться, пока сухой лед сублимируется. [28]
Крошечные гранулы сухого льда можно использовать для борьбы с пожарами, охлаждая топливо и подавляя огонь, исключая доступ кислорода. [29]
Экстремальная температура сухого льда может привести к переходу вязкоупругих материалов в стеклообразную фазу. Таким образом, он полезен для удаления многих типов клеев, чувствительных к давлению .
Сухой лед можно использовать для ослабления асфальтовых напольных плиток или звукоизолирующего материала автомобиля, что позволяет легко их снять [30] , а также для замораживания воды в бесклапанных трубах для обеспечения возможности ремонта. [31]
Одним из крупнейших механических применений сухого льда является струйная очистка . Гранулы сухого льда выстреливаются из сопла сжатым воздухом , объединяя силу скорости гранул с действием сублимации. Это может удалить остатки с промышленного оборудования. Примерами удаляемых материалов являются чернила, клей, масло, краска, форма и резина. Струйная очистка сухим льдом может заменить пескоструйную обработку, паровую очистку, водоструйную очистку или очистку растворителем. Основным экологическим остатком струйной обработки сухим льдом является сублимированный CO2 , что делает ее полезной технологией там, где остатки от других методов струйной обработки нежелательны. [32] Недавно струйная очистка была введена как метод удаления дымовых повреждений с конструкций после пожаров.
Сухой лед также полезен для дегазации горючих паров из резервуаров для хранения — сублимация гранул сухого льда внутри пустого и вентилируемого резервуара вызывает выброс CO2, который уносит с собой горючие пары. [33]
Снятие и установка гильз цилиндров в больших двигателях требует использования сухого льда для охлаждения и, таким образом, усадки гильзы, чтобы она свободно скользила в блок двигателя. Когда гильза затем нагревается, она расширяется, и полученная посадка с натягом крепко удерживает ее на месте. Аналогичные процедуры могут использоваться при изготовлении механических узлов с высокой результирующей прочностью, заменяя необходимость в штифтах, ключах или сварных швах. [34]
Сухой лед нашел свое применение в строительстве для замораживания грунта , выступая в качестве эффективной альтернативы жидкому азоту . [35] Этот метод снижает температуру грунта примерно до -70...-74 °C, быстро замораживая грунтовые воды. В результате прочность и непроницаемость грунта значительно увеличиваются, [36] что имеет важное значение для безопасного выполнения подземных строительных проектов. [37]
Также его можно использовать в качестве смазочно-охлаждающей жидкости .
В лабораториях суспензия сухого льда в органическом растворителе является полезной замораживающей смесью для холодных химических реакций и для конденсации растворителей в роторных испарителях . [38] Сухой лед и ацетон образуют холодную ванну с температурой -78 °C (-108 °F; 195 K), которую можно использовать, например, для предотвращения теплового разгона при окислении по Сверну .
Процесс изменения осадков в облаках может быть осуществлен с использованием сухого льда. [39] Он широко использовался в экспериментах в США в 1950-х и начале 1960-х годов, прежде чем его заменил иодид серебра . [39] Преимущество сухого льда в том, что он относительно дешев и совершенно нетоксичен. [39] Его главный недостаток заключается в необходимости доставки непосредственно в переохлажденную область облаков, в которые производится засев. [39]
«Бомба из сухого льда» — это похожее на воздушный шар устройство, использующее сухой лед в герметичном контейнере, например, в пластиковой бутылке . Обычно для ускорения сублимации сухого льда добавляют воду. По мере сублимации сухого льда давление увеличивается, в результате чего бутылка взрывается с громким шумом. Винтовую крышку можно заменить резиновой пробкой, чтобы сделать водяную ракету .
Устройство для бомбы с сухим льдом было показано в MythBusters , эпизод 57 Mentos and Soda , который впервые вышел в эфир 9 августа 2006 года. [40] Оно также было показано в эпизоде Time Warp , а также в эпизоде Archer .
После пролета Марса космическим аппаратом Mariner 4 в 1966 году ученые пришли к выводу, что полярные шапки Марса полностью состоят из сухого льда. [41] Однако выводы, сделанные в 2003 году исследователями Калифорнийского технологического института, показали, что полярные шапки Марса почти полностью состоят из водяного льда, и что сухой лед образует лишь тонкий поверхностный слой, который утолщается и утончается в зависимости от сезона. [41] [42] Было высказано предположение, что над полярными регионами Марса происходит явление, называемое бурями из сухого льда. Они сопоставимы с грозами на Земле, при этом кристаллический CO 2 занимает место воды в облаках. [43] Сухой лед также предлагается в качестве механизма для гейзеров на Марсе . [44]
В 2012 году зонд Venus Express Европейского космического агентства обнаружил холодный слой в атмосфере Венеры , где температура близка к тройной точке углекислого газа, и возможно, что там выпадают хлопья сухого льда. [45]
Наблюдения, полученные в ходе пролета мимо Урана аппаратом Voyager 2, указывают на наличие сухого льда на поверхности его крупных лун Ариэля [46] , Умбриэля [46] и Титании [46] . Ученые предполагают, что магнитное поле Урана способствует образованию льда CO 2 на поверхности его лун. [47] Наблюдения Voyager 2 за спутником Нептуна Тритоном предполагают наличие сухого льда на поверхности, хотя последующие наблюдения указывают на то, что углеродные льды на поверхности представляют собой окись углерода, но кора луны состоит из значительного количества сухого льда. [48]
Длительное воздействие сухого льда может вызвать серьезное повреждение кожи из-за обморожения , а образующийся туман может также помешать попыткам безопасного выхода из контакта. Поскольку он сублимируется в большие количества углекислого газа, что может представлять опасность гиперкапнии , сухой лед следует подвергать воздействию открытого воздуха только в хорошо проветриваемом помещении. [30] По этой причине в контексте лабораторной безопасности сухому льду присвоена маркировка меры предосторожности P403 : «Хранить в хорошо проветриваемом месте». Промышленный сухой лед может содержать загрязняющие вещества, которые делают его небезопасным для прямого контакта с пищевыми продуктами. [50] [ неудачная проверка ] Крошечные гранулы сухого льда, используемые при струйной очистке сухим льдом, не содержат маслянистых остатков.
Сухому льду присвоен номер ООН , код для опасных веществ: ООН 1845. [ 51] Сухой лед не классифицируется как опасное вещество Европейским союзом или как опасный материал Министерством транспорта США для наземной перевозки. [52] [51] Однако в США он регулируется как опасный груз при перевозке по воздуху или воде. Правила Международной ассоциации воздушного транспорта (ИАТА) требуют, чтобы на упаковке была размещена специальная ромбовидная черно-белая маркировка. Упаковка должна иметь достаточную вентиляцию, чтобы она не разорвалась от давления в случае, если сухой лед начнет сублимироваться в упаковке. [51] Федеральное управление гражданской авиации США разрешает пассажирам авиакомпаний провозить до 2,5 кг (5,5 фунта) на человека либо в качестве зарегистрированного багажа , либо в качестве ручной клади, если он используется для охлаждения скоропортящихся продуктов. [53]
По меньшей мере один человек погиб из-за углекислого газа, выделяющегося из сухого льда в холодильниках, размещенных в автомобиле. [54] В 2020 году три человека погибли на вечеринке в Москве после того, как 25 кг сухого льда были сброшены в бассейн; углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому может задерживаться у земли, чуть выше уровня воды. [55]
Сухой лед иногда используется для придания эффекта тумана коктейлям . Один посетитель бара, который случайно проглотил гранулы из напитка, получил серьезные ожоги пищевода , желудка и двенадцатиперстной кишки , что привело к постоянным проблемам с приемом пищи. [56] [57] Быстрая сублимация может привести к накоплению газа, который разрывает пищеварительные органы или вызывает удушье. Продукты, которые содержат сухой лед и предотвращают его случайное проглатывание, устраняют эти риски, одновременно создавая желаемый эффект тумана. [58]