Сухой лед в просторечии означает твердую форму углекислого газа ( (s) ). Его обычно используют для временного охлаждения, поскольку CO 2 не имеет жидкого состояния при нормальном атмосферном давлении и сублимирует непосредственно из твердого состояния в газообразное . Он используется в основном в качестве охлаждающего агента , но также используется в дымовых машинах в театрах для создания драматических эффектов. Его преимущества включают более низкую температуру, чем у водяного льда , и отсутствие следов (кроме случайного инея из-за влаги в атмосфере). Это полезно для хранения замороженных продуктов (например, мороженого), где механическое охлаждение недоступно.
Сухой лед возгоняется при температуре 194,7 К (-78,5 ° C; -109,2 ° F) при атмосферном давлении Земли . Из-за сильного холода с этим твердым веществом опасно обращаться без защиты от обморожения . Хотя он, как правило, не очень токсичен, выделение газа из него может вызвать гиперкапнию (аномально повышенный уровень углекислого газа в крови) из-за его накопления в ограниченном пространстве.
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 негорюч, а при растворении в воде может снизить pH раствора , 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 газ без промежуточной жидкой формы посредством процесса, называемого сублимацией . [a] Противоположный процесс называется осаждением , когда CO 2 переходит из газа в твердую фазу (сухой лед). При атмосферном давлении сублимация/осаждение происходит при 194,7 К (-78,5 ° C; -109,2 ° F). [2]
Плотность сухого льда увеличивается с понижением температуры и колеблется примерно от 1,55 до 1,7 г/см 3 (от 97 до 106 фунтов/куб футов) при температуре 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] Энтальпия сублимации составляет 571 кДж/кг (25,2 кДж/моль, 136,5 калории/г).
Сухой лед неполярен , с нулевым дипольным моментом , поэтому действуют притягивающие межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса . [5] Результатом этого состава является низкая тепло- и электропроводность . [6]
Принято считать, что сухой лед впервые наблюдал в 1835 году французский изобретатель Адриен-Жан-Пьер Тилорье (1790–1844), опубликовавший первое описание этого вещества. [7] [8] В его экспериментах было отмечено, что при открытии крышки большого цилиндра, содержащего жидкий углекислый газ , большая часть жидкого углекислого газа быстро испарялась. В результате в контейнере остался 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 успешной отраслью промышленности . [9] В 1925 году эта твердая форма CO 2 была зарегистрирована торговой маркой DryIce Corporation of America как «Сухой лед», что привело к ее общему названию. [10] В том же году компания DryIce Co. впервые продала это вещество на коммерческой основе, продавая его для холодильных целей. [9]
Сухой лед легко изготавливается. [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, например, производства аммиака из азота и природного газа , нефтеперерабатывающей деятельности или крупномасштабной ферментации . [12] Во-вторых, газ, богатый углекислым газом, сжимается и охлаждается до тех пор, пока не сжижается. Далее давление снижается. Когда это происходит, часть жидкого диоксида углерода испаряется, вызывая быстрое понижение температуры оставшейся жидкости. В результате сильный холод приводит к затвердеванию жидкости до консистенции, напоминающей снег. Наконец, похожий на снег твердый углекислый газ сжимается в маленькие гранулы или более крупные глыбы сухого льда. [13] [14]
Сухой лед обычно производится в трех стандартных формах: большие блоки, маленькие ( диаметром 1 ⁄ 2 или 5 ⁄ дюйма [13 или 16 мм]) цилиндрические гранулы и крошечные ( диаметром 1 ⁄ 8 дюйма [3,2 мм]) цилиндрические с высокой поверхностью. для увеличения объема гранул, которые плавают на масле или воде и не прилипают к коже из-за большого радиуса кривизны. Крошечные гранулы сухого льда используются в основном для струйной обработки сухим льдом , быстрого замораживания, пожаротушения, затвердевания масла и оказались безопасными для экспериментов учащимися средних школ, носящими соответствующие средства индивидуальной защиты, такие как перчатки и защитные очки. Чаще всего встречается стандартный блок весом около 30 кг (66 фунтов) [ нужна ссылка ] , покрытый бумажной оберткой. Они обычно используются в судоходстве, поскольку сублимируются относительно медленно из-за низкого отношения площади поверхности к объему. Пеллеты имеют диаметр около 1 см (0,4 дюйма), и их легко упаковывать в пакеты. Эта форма подходит для использования в небольших масштабах, например, в продуктовых магазинах и лабораториях , где она хранится в теплоизолированном ящике. [15] Плотность окатышей составляет 60–70% от плотности блоков. [16]
Сухой лед также производится как побочный продукт криогенной сепарации воздуха – отрасли, в первую очередь связанной с 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 . Диоксид углерода необходимо удалять во время процесса, чтобы предотвратить загрязнение оборудования сухим льдом, и после отделения его можно переработать в коммерческий сухой лед способом, аналогичным описанному выше.
Наиболее распространенным применением сухого льда является 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 или практичности механического охлаждения .
Сухой лед имеет решающее значение при развертывании некоторых вакцин, которые требуют хранения при сверхнизких температурах вдоль линии поставок. [17]
Сухой лед можно использовать для мгновенной заморозки пищевых продуктов [18] или лабораторных биологических образцов, [19] газированных напитков, [18] изготовления мороженого , [20] затвердевания разливов нефти [21] и предотвращения таяния ледяных скульптур и ледяных стен.
Сухой лед можно использовать для задержания и предотвращения активности насекомых в закрытых контейнерах с зерном и зернопродуктами, поскольку он вытесняет кислород, но не изменяет вкус и качество продуктов. По той же причине он может предотвратить или замедлить прогоркание пищевых масел и жиров .
Когда сухой лед помещается в воду, сублимация ускоряется и создаются низкотонущие плотные облака дымообразного тумана. Это используется в дымовых машинах , в театрах , домах с привидениями и ночных клубах для создания драматических эффектов. В отличие от большинства машин искусственного тумана , в которых туман поднимается как дым, туман из сухого льда витает у земли. [14] Сухой лед полезен в театральных постановках, где требуется эффект густого тумана. [22] Туман возникает из-за объемной воды, в которую помещен 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, поскольку он холоднее, поэтому для его действия требуется меньше времени, а для хранения требуется меньшее давление. [25] У сухого льда меньше проблем с хранением, поскольку при необходимости его можно производить из сжатого углекислого газа. [25]
В сантехнике сухой лед используется для перекрытия потока воды в трубах, что позволяет производить ремонт без отключения водопровода. Жидкий CO 2 под давлением подается в рубашку, обернутую вокруг трубы, что, в свою очередь, приводит к замерзанию воды внутри и закупорке трубы. Когда ремонт завершен, рубашка снимается, и ледяная пробка тает, что позволяет возобновить поток. 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 из-за их притяжения к углекислому газу. [27]
Его можно использовать для уничтожения грызунов. Для этого гранулы сбрасывают в туннели для грызунов в земле, а затем перекрывают вход, тем самым удушая животных, поскольку сухой лед сублимирует. [28]
Крошечные гранулы сухого льда можно использовать для тушения пожара, охлаждая топливо и удушая его за счет исключения кислорода. [29]
Экстремальная температура сухого льда может привести к переходу вязкоупругих материалов в стеклофазу . Таким образом, он полезен для удаления многих типов клеев, чувствительных к давлению .
Сухой лед можно использовать для расшатывания асфальтовой плитки пола или шумопоглощающего материала автомобиля, что позволяет легко их отобрать, [30] , а также для замораживания воды в бесклапанных трубах для возможности ремонта. [31]
Одним из крупнейших видов механического применения сухого льда является струйная очистка . Гранулы сухого льда выстреливаются из сопла сжатым воздухом , сочетая силу скорости гранул с действием сублимации. Это может удалить остатки промышленного оборудования. Примеры удаленных материалов включают чернила, клей, масло, краску, плесень и резину. Струйная очистка сухим льдом может заменить пескоструйную очистку, очистку паром, очистку водой или очистку растворителем. Основным остатком струйной обработки сухим льдом в окружающей среде является сублимированный CO 2 , что делает этот метод полезным, когда остатки других методов струйной обработки нежелательны. [32] Недавно струйная очистка была введена в качестве метода устранения повреждений от дыма в конструкциях после пожаров.
Сухой лед также полезен для дегазации легковоспламеняющихся паров из резервуаров-хранилищ — сублимация гранул сухого льда внутри опорожненного и вентилируемого резервуара вызывает выброс CO 2 , который уносит с собой легковоспламеняющиеся пары. [33]
Снятие и установка гильз цилиндров в двигателях большой мощности требует использования сухого льда для охлаждения и, таким образом, сжатия гильзы, чтобы она могла свободно скользить в блок цилиндров. Когда вкладыш нагревается, он расширяется, и в результате посадки с натягом он плотно удерживается на месте. Подобные процедуры можно использовать при изготовлении механических узлов с высокой результирующей прочностью, заменяя необходимость в штифтах, шпонках или сварных швах. [34]
Он также полезен в качестве смазочно-охлаждающей жидкости .
В лабораториях суспензия сухого льда в органическом растворителе является полезной смесью для замораживания для холодных химических реакций и для конденсации растворителей в ротационных испарителях . [35] Сухой лед и ацетон образуют холодную ванну с температурой -78 ° C (-108 ° F; 195 K), которую можно использовать, например, для предотвращения термического выхода из-под контроля при окислении Сверна .
Процесс изменения осадков в облаках можно осуществить с помощью сухого льда. [36] Он широко использовался в экспериментах в США в 1950-х и начале 1960-х годов, прежде чем его заменили йодидом серебра . [36] Сухой лед имеет то преимущество, что он относительно дешев и совершенно нетоксичен. [36] Его основным недостатком является необходимость доставки непосредственно в переохлажденную область засеваемых облаков. [36]
«Бомба из сухого льда» представляет собой устройство, похожее на воздушный шар, в котором используется сухой лед в герметичном контейнере, например пластиковой бутылке . Воду обычно добавляют для ускорения сублимации сухого льда. По мере сублимации сухого льда давление увеличивается, в результате чего бутылка с громким шумом лопается. Завинчивающуюся крышку можно заменить резиновой пробкой, чтобы сделать водяную ракету .
Устройство бомбы из сухого льда было показано в 57-м эпизоде «Разрушителей мифов» «Ментос и газировка », который впервые вышел в эфир 9 августа 2006 года . [37] Оно также было показано в эпизоде « Искажение времени» , а также в эпизоде « Арчер» .
После облета Марса космическим кораблем «Маринер-4» в 1966 году учёные пришли к выводу, что полярные шапки Марса полностью состоят из сухого льда. [38] Однако результаты, сделанные в 2003 году исследователями из Калифорнийского технологического института, показали, что полярные шапки Марса почти полностью состоят из водяного льда, а сухой лед образует лишь тонкий поверхностный слой, который то утолщается, то истончается в зависимости от сезона. [38] [39] Было высказано предположение, что над полярными регионами Марса происходит явление, называемое бурями сухого льда. Они сравнимы с грозами на Земле, где кристаллический CO 2 заменяет воду в облаках. [40] Сухой лед также предлагается в качестве механизма образования гейзеров на Марсе . [41]
В 2012 году зонд «Венера-Экспресс» Европейского космического агентства обнаружил холодный слой в атмосфере Венеры , где температура близка к тройной точке углекислого газа, и вполне возможно, что выпадают в осадок хлопья сухого льда. [42]
Наблюдения во время пролета Урана с помощью «Вояджера-2» показывают, что сухой лед присутствует на поверхности его больших спутников Ариэля , [43] Умбриэля [43] и Титании . [43] Ученые предполагают, что магнитное поле Урана способствует образованию льда CO 2 на поверхностях его спутников. [44] Наблюдения «Вояджером-2» спутника Нептуна Тритона позволили предположить наличие сухого льда на поверхности, хотя последующие наблюдения показывают, что углеродный лед на поверхности представляет собой окись углерода, но кора Луны состоит из значительного количества сухого льда. [45]
Длительное воздействие сухого льда может привести к серьезному повреждению кожи в результате обморожения , а образующийся туман может также препятствовать попыткам безопасного выхода из контакта. Поскольку он сублимируется в большое количество углекислого газа, что может представлять опасность гиперкапнии , сухой лед следует подвергать воздействию открытого воздуха только в хорошо проветриваемом помещении. [30] По этой причине в целях лабораторной безопасности сухому льду присвоена этикетка с предостережением P403 : «Хранить в хорошо проветриваемом месте». Промышленный сухой лед может содержать загрязняющие вещества, которые делают его небезопасным для прямого контакта с пищевыми продуктами. [47] [ не удалось проверить ] Крошечные гранулы сухого льда, используемые при струйной очистке сухим льдом, не содержат маслянистых остатков.
Сухому льду присвоен номер ООН , код опасного вещества: UN 1845 . [48] Сухой лед не классифицируется Европейским Союзом как опасное вещество и Министерством транспорта США как опасный материал для наземного транспорта. [49] [48] Однако в США он считается опасным грузом при доставке по воздуху или воде. Правила Международной ассоциации воздушного транспорта (IATA) требуют размещения на упаковке специальной черно-белой ромбовидной маркировки. Упаковка должна иметь достаточную вентиляцию, чтобы она не разорвалась от давления в случае, если она начнет сублимировать в упаковке. [48] Федеральное управление гражданской авиации США разрешает пассажирам авиакомпаний провозить до 2,5 кг (5,5 фунтов) на человека в качестве зарегистрированного багажа или ручной клади, если они используются для охлаждения скоропортящихся продуктов. [50]
По меньшей мере один человек погиб в результате сублимации углекислого газа из сухого льда в холодильниках, установленных в автомобиле. [51] В 2020 году три человека погибли на вечеринке в Москве после того, как в бассейн сбросили 25 кг сухого льда; углекислый газ тяжелее воздуха и поэтому может задерживаться у земли, чуть выше уровня воды. [52]
Сухой лед иногда используется для придания коктейлям эффекта тумана . Один посетитель бара, который случайно проглотил гранулы из напитка, получил серьезные ожоги пищевода , желудка и двенадцатиперстной кишки , что привело к постоянным проблемам с едой. [53] [54] Быстрая сублимация может вызвать скопление газа, которое приведет к разрыву органов пищеварения или удушью. Продукты, содержащие сухой лед и предотвращающие его случайное проглатывание, устраняют эти риски, создавая при этом желаемый эффект тумана. [55]