Сухой лед - Dry ice
Сухой лед - это твердая форма углекислого газа . 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 остатков (кроме случайного замораживания влаги в атмосфере). Это полезно для хранения замороженных продуктов, когда механическое охлаждение недоступно.
Сухой лед сублимируется при 194,7 К (-78,5 ° C; -109,2 ° F) при атмосферном давлении Земли . Этот экстремальный холод делает твердое тело опасным в обращении без защиты от обморожения . Хотя обычно он не очень токсичен, его выделение может вызвать гиперкапнию (аномально повышенный уровень углекислого газа в крови) из-за накопления в замкнутых местах.
Характеристики
Сухой лед - это твердая форма диоксида углерода (CO 2 ), молекулы, состоящей из одного атома углерода, связанного с двумя атомами кислорода . Сухой лед не имеет цвета, запаха и негорючего материала и может снизить pH раствора при растворении в воде с образованием угольной кислоты (H 2 CO 3 ).
При давлении ниже 5,13 атм и температуре ниже -56,4 ° C (216,8 K; -69,5 ° F) ( тройная точка ) CO 2 превращается из твердого вещества в газ без промежуточной жидкой формы в результате процесса, называемого сублимацией . Противоположный процесс называется осаждением , когда CO 2 переходит из газовой фазы в твердую (сухой лед). При атмосферном давлении сублимация / осаждение происходит при 194,7 К (-78,5 ° C; -109,2 ° F).
Плотность сухого льда возрастает с понижением температуры и диапазоны между примерно 1,55 и 1,7 г / см 3 (97 и 106 фунт / куб футов) ниже 195 К (-78 ° С; -109 ° F). Низкая температура и прямая сублимация в газ делают сухой лед эффективным хладагентом , поскольку он холоднее водяного льда и не оставляет следов при изменении состояния. Его энтальпия сублимации составляет 571 кДж / кг (25,2 кДж / моль).
Сухой лед неполярен , с нулевым дипольным моментом , поэтому действуют притягивающие межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса . Состав приводит к низкой теплопроводности и электропроводности .
История
Принято считать, что сухой лед впервые был обнаружен в 1835 году французским изобретателем Адрианом-Жан-Пьером Тилорье (1790–1844), который опубликовал первое описание этого вещества. В его опытах было замечено, что при открытии крышки большого баллона, содержащего жидкую двуокись углерода , большая часть жидкой двуокиси углерода быстро испарялась. 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 добился успеха в индустрии сухого льда . В 1925 году эта твердая форма CO 2 была зарегистрирована Американской корпорацией DryIce как «Сухой лед», что привело к ее общепринятому названию. В том же году DryIce Co. впервые продала это вещество на коммерческой основе, продавая его для холодильных целей.
Производство
Сухой лед легко изготовить. Во-первых, производятся газы с высокой концентрацией углекислого газа. Такие газы могут быть побочным продуктом другого процесса, такого как производство аммиака из азота и природного газа , нефтепереработка или крупномасштабная ферментация . Во-вторых, богатый диоксидом углерода газ сжимают и охлаждают до тех пор, пока он не станет жидким. Далее давление снижается. Когда это происходит, некоторое количество жидкого диоксида углерода испаряется, вызывая быстрое снижение температуры оставшейся жидкости. В результате из-за сильного холода жидкость затвердевает до состояния снега. Наконец, подобный снегу твердый углекислый газ сжимается в маленькие гранулы или большие блоки сухого льда.
Сухой лед , как правило , производится в трех стандартных формах: большие блоки, малые ( 1 / 2 или 5 / 8 в диаметре [13 или 16 мм]) цилиндрические гранулы и крошечного ( 1 / 8 дюйма [3,2 мм] диаметр) цилиндрической, высокой поверхностью для увеличения объема гранул, которые плавают в 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, тушения пожаров, застывания масла и были признаны безопасными для экспериментов учащимися средних школ, использующими соответствующие средства индивидуальной защиты, такие как перчатки и защитные очки. Чаще всего используется стандартный блок весом около 30 кг (66 фунтов), обернутый лентой из бумаги. Их обычно используют в судоходстве, поскольку они относительно медленно возгоняются из-за низкого отношения площади поверхности к объему. Пеллеты имеют диаметр около 1 см (0,4 дюйма) и легко упаковываются в мешки. Эта форма подходит для использования в небольших количествах, например, в продуктовых магазинах и лабораториях, где она хранится в плотно изолированном ящике. Плотность окатышей 60-70% от плотности блоков.
Приложения
Коммерческий
Чаще всего сухой лед используется для консервирования продуктов с использованием нециклического охлаждения .
Он часто используется для упаковки продуктов, которые должны оставаться холодными или замороженными, таких как мороженое или биологические образцы, при отсутствии или практичности механического охлаждения .
Сухой лед имеет решающее значение при развертывании некоторых вакцин, которые требуют хранения при сверхнизких температурах вдоль линии их подачи.
Сухой лед можно использовать для быстрой заморозки пищевых продуктов или лабораторных биологических образцов, газированных напитков, приготовления мороженого , затвердевания разливов нефти 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 влияет на вкус или 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 образуются низко опускающиеся плотные облака дымчатого тумана. Это используется в дым-машинах , в театрах , в домах с привидениями и в ночных клубах для создания драматических эффектов. В отличие от большинства машин для искусственного тумана , в которых туман поднимается как дым, туман из сухого льда парит у земли. Сухой лед полезен в театральных постановках, где требуется эффект густого тумана. Туман возникает из-за объема воды, в которую помещен сухой лед, а не из атмосферного водяного пара (как принято считать).
Иногда его используют для замораживания и удаления бородавок . Однако жидкий азот лучше справляется с этой ролью, поскольку он более холодный, поэтому для его действия требуется меньше времени и меньше давления. Сухой лед имеет меньше проблем с хранением, поскольку он может быть произведен из сжатого углекислого газа по мере необходимости.
Сантехники используют оборудование, которое нагнетает жидкий CO 2 под давлением в рубашку вокруг трубы. Образовавшийся сухой лед заставляет воду замерзать, образуя ледяную пробку, позволяющую выполнять ремонт, не отключая водопровод. Этот метод можно использовать для труб диаметром до 4 дюймов (100 мм).
Сухой лед можно использовать в качестве приманки для улавливания комаров , клопов и других насекомых из-за их притяжения к углекислому газу.
Его можно использовать для уничтожения грызунов. Для этого гранулы бросают в туннели для грызунов в земле, а затем закрывают вход, тем самым задыхая животных при сублимации сухого льда.
Крошечные гранулы сухого льда можно использовать для тушения пожара, охлаждая топливо и подавляя огонь, исключая кислород.
Экстремальная температура сухого льда может вызвать переход вязкоупругих материалов в стеклообразную фазу. Таким образом, он полезен для удаления многих типов клея, чувствительного к давлению .
Промышленные
Сухой лед можно использовать для разрыхления асфальтовой плитки на полу или звукопоглощающего материала автомобиля, чтобы их было легко оторвать, а также для замораживания воды в бесклапанных трубах для ремонта.
Одно из самых крупных механических применений сухого льда - струйная очистка . Гранулы сухого льда выстреливаются из сопла сжатым воздухом , сочетая мощность скорости гранул с действием сублимации. Это может удалить остатки с промышленного оборудования. Примеры удаленных материалов включают чернила, клей, масло, краску, форму и резину. Струйная обработка сухим льдом может заменить пескоструйную, пароструйную, водоструйную или струйную очистку растворителем. Основным экологическим остатком струйной очистки сухим льдом является сублимированный CO 2 , что делает его полезным методом там, где нежелательны остатки от других технологий струйной очистки. В последнее время абразивоструйная очистка была внедрена как метод удаления дыма от конструкций после пожаров.
Сухой лед также полезен для дегазации легковоспламеняющихся паров из резервуаров для хранения - сублимация гранул сухого льда внутри опорожненного и вентилируемого резервуара вызывает выброс CO 2, который уносит с собой легковоспламеняющиеся пары.
Снятие и установка гильз цилиндров в больших двигателях требует использования сухого льда для охлаждения и, таким образом, усадки гильзы, чтобы она свободно входила в блок цилиндров. Когда лайнер затем нагревается, он расширяется, и в результате посадки с натягом он плотно удерживается на месте. Подобные процедуры могут использоваться при изготовлении механических узлов с высокой результирующей прочностью, заменяя необходимость в шпильках, шпонках или сварных швах.
Он также полезен как смазочно-охлаждающая жидкость .
Научный
В лабораториях суспензия сухого льда в органическом растворителе является полезной замораживающей смесью для холодных химических реакций и для конденсации растворителей в роторных испарителях . 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 выпадения облаков можно осуществить с помощью сухого льда. Он широко использовался в экспериментах в США в 1950-х и начале 1960-х годов, прежде чем был заменен йодидом серебра . Преимущество сухого льда в том, что он относительно дешев и совершенно нетоксичен. Его главный недостаток - необходимость доставки непосредственно в переохлажденную область засеваемых облаков.
Бомбы из сухого льда
«Бомба с сухим льдом» - это устройство, напоминающее воздушный шар, в котором сухой лед помещается в герметичный контейнер, такой как пластиковая бутылка . Обычно добавляют воду, чтобы ускорить сублимацию сухого льда. По мере возгонки сухого льда давление увеличивается, в результате чего бутылка лопается, вызывая громкий шум, которого можно избежать, заменив завинчивающуюся крышку на резиновую пробку, чтобы создать водяную ракету с двухлитровой бутылкой .
Бомба из сухого льда была показана в 57-м эпизоде « Разрушители мифов» , « Mentos and Soda» , который впервые вышел в эфир 9 августа 2006 г. Он также был показан в эпизоде « Искажение времени» , а также в эпизоде « Арчера» .
Внеземное происхождение
После пролета Марса космического корабля Mariner 4 в 1966 году ученые пришли к выводу, что полярные шапки Марса полностью состоят из сухого льда. Однако открытия, сделанные в 2003 году исследователями из Калифорнийского технологического института , показали, что полярные шапки Марса почти полностью состоят из водяного льда, а сухой лед образует только тонкий поверхностный слой, который с течением времени утолщается и истончается. Было высказано предположение, что явление, получившее название бури из сухого льда, может происходить над полярными регионами Марса. Они сравнимы с земными грозами, где кристаллический CO 2 занимает место воды в облаках. Сухой лед также предлагается в качестве механизма для гейзеров на Марсе .
В 2012 году Европейское космическое агентство «ы Венера Экспресс зонд обнаружил холодный слой в атмосфере Венеры , где температура находится близко к тройной точке углекислого газа , и вполне возможно , что хлопья сухого осадка льда.
Наблюдения во время пролета Урана с помощью космического корабля « Вояджер-2» показывают, что сухой лед присутствует на поверхности его больших спутников Ариэль , Умбриэль и Титания . Ученые предполагают, что магнитное поле Урана способствует образованию льда CO 2 на поверхности его спутников. Наблюдения "Вояджера-2" за спутником Нептуна Тритоном предположили наличие сухого льда на поверхности, хотя последующие наблюдения показывают, что углеродный лед на поверхности является оксидом углерода, но лунная кора состоит из значительного количества сухого льда.
Безопасность
Продолжительное воздействие сухого льда может вызвать серьезные повреждения кожи в результате обморожения , а образующийся туман может также препятствовать попыткам безопасного ухода от контакта. Поскольку сухой лед превращается в большие количества углекислого газа, который может представлять опасность гиперкапнии , сухой лед следует подвергать воздействию открытого воздуха только в хорошо вентилируемой среде. По этой причине сухому льду присваивается S-фраза S9 в контексте лабораторной безопасности. Промышленный сухой лед может содержать загрязнители, которые делают его небезопасным для прямого контакта с пищевыми продуктами. Крошечные гранулы сухого льда, используемые при струйной очистке сухим льдом, не содержат масляных остатков.
Хотя сухой лед не классифицируется Европейским союзом как опасное вещество и не классифицируется Министерством транспорта США как опасный материал для наземного транспорта, при транспортировке по воздуху или воде он считается опасным грузом и инструкцией по упаковке 954 Международной ассоциации воздушного транспорта ( IATA). (IATA PI 954) требует, чтобы он имел специальную маркировку, включая черно-белую этикетку в форме ромба, UN 1845 . Кроме того, должны быть предусмотрены меры для обеспечения надлежащей вентиляции, чтобы повышение давления не привело к разрыву упаковки. Федеральное управление гражданской авиации в США позволяет пассажирам авиакомпании перевозить до 2,5 кг (5,5 фунтов) на одного человека или как зарегистрированный багаж или ручной клади, когда используется для Охладите скоропортящиеся.
Гранулы сухого льда сублимируются в воде, образуя густой белый туман.
1845 этикетки ООН для сухого льда
Пояснительные примечания
Цитаты
Общая библиография
- Дуэйн, HD-ролик; Тилорье, М. (1952). «Тильорье и первое затвердевание« постоянного »газа (1835 г.)». Исида . 43 (2): 109–113. DOI : 10.1086 / 349402 . JSTOR 227174 . S2CID 144091865 .
- Горолл, Аллан Х .; Малли, Альберт G (2009). Первичная медицина: офисная оценка и ведение взрослого пациента . Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 978-0-7817-7513-7.
- Херинг, Хайнц-Вольфганг (2008). Переработка промышленных газов . Кристин Анер. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31685-4. Проверено 31 июля 2009 .
- Хаукрофт, Кэтрин; Шарп, Алан Дж. (2001). Неорганическая химия . Харлоу: Прентис Холл. п. 410. ISBN 978-0-582-31080-3. Проверено 31 июля 2009 .
- Киз, Конрад Г. (2006). Руководство по засеиванию облаков для увеличения количества осадков . Американское общество инженеров-строителей. Публикации ASCE. ISBN 978-0-7844-0819-3.
- Верма, Северная Каролина; Ханна, СК; Капила, Б. (2008). Комплексная химия для класса XI . Нью-Дели: Публикации Лакшми. ISBN 978-81-7008-596-6. Проверено 31 июля 2009 .
- Маккарти, Роберт Э. (1992). Секреты голливудских спецэффектов . Бостон: Focal Press. ISBN 978-0-240-80108-7.
- Митра, Соменат (апрель 2004 г.). Методы пробоподготовки в аналитической химии . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-471-32845-2. Проверено 31 июля 2009 .
- Treloar, Рой Д. (2003). Энциклопедия сантехники (3-е изд.). Вили-Блэквелл. п. 175. ISBN 978-1-4051-0613-9. Проверено 31 июля 2009 .
- Yaws, Карл (2001). Книга данных Matheson Gas (7-е изд.). McGraw-Hill Professional. ISBN 978-0-07-135854-5. 982 страницы . Проверено 27 июля 2009 .