Hielo seco

El hielo seco es la forma sólida de dióxido de carbono . Se utiliza principalmente como agente refrigerante , pero también se utiliza en máquinas de humo en teatros para obtener efectos dramáticos. Sus ventajas incluyen una temperatura más baja que la del hielo de agua y no dejar ningún residuo (aparte de las heladas incidentales de la humedad en la atmósfera). Es útil para conservar alimentos congelados donde el enfriamiento mecánico no está disponible.

Pellet de hielo seco sublimante, con escarcha blanca en la superficie

El hielo seco se sublima a 194,7 K (-78,5 ° C; -109,2 ° F) a la presión atmosférica de la Tierra . Este frío extremo hace que el sólido sea peligroso de manipular sin protección contra lesiones por congelación . Aunque generalmente no es muy tóxico, la desgasificación puede causar hipercapnia (niveles anormalmente elevados de dióxido de carbono en la sangre) debido a la acumulación en lugares confinados.

Comparación de diagramas de fase de dióxido de carbono (rojo) y agua (azul) como un gráfico log-lin con puntos de transición de fase a una presión de 1 atmósfera 

El hielo seco es la forma sólida de dióxido de carbono (CO 2 ), una molécula que consta de un solo átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno . El hielo seco es incoloro, inodoro y no inflamable, y puede reducir el pH de una solución cuando se disuelve en agua , formando ácido carbónico (H 2 CO 3 ). [1]

A presiones por debajo de 5.13 atm y temperaturas por debajo de -56.4 ° C (216.8 K; -69.5 ° F) (el punto triple ), el CO 2 cambia de sólido a gas sin una forma líquida intermedia, a través de un proceso llamado sublimación . [nota 1] El proceso opuesto se llama deposición , donde el CO 2 cambia de la fase gaseosa a la sólida (hielo seco). A presión atmosférica, la sublimación / deposición se produce a 194,7 K (-78,5 ° C; -109,2 ° F). [2]

La densidad del hielo seco aumenta con la disminución de la temperatura y varía entre aproximadamente 1,55 y 1,7 g / cm 3 (97 y 106 lb / pie3) por debajo de 195 K (-78 ° C; -109 ° F). [3] La baja temperatura y la sublimación directa a un gas hacen que el hielo seco sea un refrigerante eficaz , ya que es más frío que el hielo de agua y no deja residuos cuando cambia de estado. [4] Su entalpía de sublimación es 571 kJ / kg (25,2 kJ / mol).

El hielo seco no es polar , con un momento dipolar de cero, por lo que operan atractivas fuerzas intermoleculares de van der Waals . [5] La composición da como resultado una baja conductividad térmica y eléctrica . [6]

Se acepta generalmente que el hielo seco fue observado por primera vez en 1835 por el inventor francés Adrien-Jean-Pierre Thilorier (1790-1844), quien publicó el primer relato de la sustancia. [7] [8] En sus experimentos, se observó que al abrir la tapa de un cilindro grande que contenía dióxido de carbono líquido, la mayor parte del dióxido de carbono líquido se evaporó rápidamente. Esto dejó solo hielo seco sólido en el recipiente. En 1924, Thomas B. Slate solicitó una patente estadounidense para vender hielo seco comercialmente. Posteriormente, se convirtió en el primero en hacer que el hielo seco tuviera éxito como industria . [9] En 1925, esta forma sólida de CO 2 fue registrada por DryIce Corporation of America como "hielo seco", lo que lleva a su nombre común. [10] Ese mismo año, DryIce Co. vendió la sustancia comercialmente por primera vez, comercializándola para fines de refrigeración. [9]

"> Reproducir medios
Sublimación de hielo seco cuando se coloca en agua a temperatura ambiente.

El hielo seco se fabrica fácilmente. [11] [12] Primero, se producen gases con una alta concentración de dióxido de carbono. Dichos gases pueden ser un subproducto de otro proceso, como la producción de amoníaco a partir de nitrógeno y gas natural , actividades de refinería de petróleo o fermentación a gran escala . [12] En segundo lugar, el gas rico en dióxido de carbono se presuriza y refrigera hasta que se licua. A continuación, se reduce la presión. Cuando esto ocurre, algo de dióxido de carbono líquido se vaporiza, provocando una rápida disminución de la temperatura del líquido restante. Como resultado, el frío extremo hace que el líquido se solidifique en una consistencia similar a la nieve. Finalmente, el dióxido de carbono sólido similar a la nieve se comprime en pequeños gránulos o bloques más grandes de hielo seco. [13] [14]

El hielo seco se produce típicamente en tres formas estándar: bloques grandes,  bolitas cilíndricas pequeñas ( 1 ⁄ 2 o 5 ⁄ 8 pulg. [13 o 16 mm] de diámetro) y pequeñas ( Pellets cilíndricos de 1 ⁄ 8 de pulgada [3,2 mm] de diámetro, de gran superficie a volumen que flotan sobre el aceite o el agua y no se adhieren a la piel debido a sus altos radios de curvatura. Pequeños gránulos de hielo seco se utilizan principalmente para limpieza criogénica , congelación rápida, extinción de incendios, solidificación de aceite y se ha descubierto que son seguros para la experimentación de estudiantes de secundaria que usan equipo de protección personal adecuado , como guantes y gafas de seguridad. Un bloque estándar que pesa aproximadamente 30 kg (66 libras) [ cita requerida ] cubierto con una envoltura de papel con cinta es más común. Estos se usan comúnmente en el transporte marítimo, porque se subliman con relativa lentitud debido a una baja relación entre el área de la superficie y el volumen. Los gránulos miden alrededor de 1 cm (0,4 pulgadas) de diámetro y se pueden embolsar fácilmente. Esta forma es adecuada para uso a pequeña escala, por ejemplo, en supermercados y laboratorios, donde se almacena en un cofre con un aislamiento grueso. [15] La densidad de los gránulos es del 60 al 70% de la densidad de los bloques. [dieciséis]

Comercial

Un carrito de helados

El uso más común del hielo seco es para conservar alimentos, [1] mediante refrigeración no cíclica .

Sublimación
Hielo seco en agua

Se utiliza con frecuencia para envasar artículos que deben permanecer fríos o congelados, como helados o muestras biológicas, sin la disponibilidad o practicidad del enfriamiento mecánico .

El hielo seco es fundamental en el despliegue de algunas vacunas, que requieren almacenamiento a temperaturas extremadamente frías a lo largo de su línea de suministro. [17]

El hielo seco puede usarse para congelar rápidamente alimentos [18] o muestras biológicas de laboratorio, [19] bebidas carbonatadas , [18] hacer helados , [20] solidificar derrames de petróleo [21] y evitar que las esculturas de hielo y las paredes de hielo se derritan.

El hielo seco se puede utilizar para detener y prevenir la actividad de los insectos en recipientes cerrados de granos y productos de granos, ya que desplaza el oxígeno, pero no altera el sabor ni la calidad de los alimentos. Por la misma razón, puede prevenir o retrasar que los aceites y grasas de los alimentos se vuelvan rancios .

Cuando se coloca hielo seco en el agua, la sublimación se acelera y se crean densas nubes de niebla parecida al humo que se hunden poco. Esto se usa en máquinas de humo , teatros , atracciones de casas embrujadas y clubes nocturnos para efectos dramáticos. A diferencia de la mayoría de las máquinas de humo artificial , en las que la niebla se eleva como humo, la niebla del hielo seco se cierne cerca del suelo. [14] El hielo seco es útil en producciones teatrales que requieren efectos de niebla densa. [22] La niebla se origina a partir del agua a granel en la que se coloca el hielo seco, y no del vapor de agua atmosférico (como se supone comúnmente). [23]

Ocasionalmente se usa para congelar y eliminar verrugas . [24] Sin embargo, el nitrógeno líquido se desempeña mejor en esta función, ya que es más frío, por lo que requiere menos tiempo para actuar y menos presión. [25] El hielo seco tiene menos problemas de almacenamiento, ya que se puede generar a partir de gas de dióxido de carbono comprimido según sea necesario. [25]

Los fontaneros utilizan equipos que fuerzan el CO 2 líquido presurizado a formar una camisa alrededor de una tubería. El hielo seco formado hace que el agua se congele, formando un tapón de hielo, lo que les permite realizar reparaciones sin cerrar la red de agua. Esta técnica se puede utilizar en tuberías de hasta 4 pulgadas (100 mm) de diámetro. [26]

El hielo seco se puede utilizar como cebo para atrapar mosquitos , chinches y otros insectos, debido a su atracción por el dióxido de carbono. [27]

Puede utilizarse para exterminar roedores. Esto se hace dejando caer pellets en túneles de roedores en el suelo y luego sellando la entrada, asfixiando así a los animales a medida que el hielo seco se sublima. [28]

Se pueden usar diminutos gránulos de hielo seco para combatir el fuego enfriando el combustible y sofocando el fuego excluyendo el oxígeno. [29]

La temperatura extrema del hielo seco puede hacer que los materiales viscoelásticos cambien a la fase vítrea . Por tanto, es útil para eliminar muchos tipos de adhesivos sensibles a la presión .

Industrial

Limpieza criogénica utilizada para limpiar un molde de goma
Limpieza criogénica utilizada para la limpieza de instalaciones eléctricas

El hielo seco se puede utilizar para aflojar las baldosas de asfalto o el material insonorizante de los automóviles, lo que los hace fáciles de quitar, [30] así como para congelar el agua en las tuberías sin válvulas para permitir la reparación. [31]

Uno de los usos mecánicos más importantes del hielo seco es la limpieza por chorro de arena . Los pellets de hielo seco se disparan desde una boquilla con aire comprimido , combinando la potencia de la velocidad de los pellets con la acción de la sublimación. Esto puede eliminar los residuos de los equipos industriales. Ejemplos de materiales eliminados incluyen tinta, pegamento, aceite, pintura, moho y caucho. La limpieza criogénica puede reemplazar la limpieza con chorro de arena, con vapor, con agua o con disolvente. El residuo primaria ambiental de chorro de hielo seco es el CO sublimado 2 , por lo que es una técnica útil, donde los residuos de otras técnicas de voladura son indeseables. [32] Recientemente, se ha introducido la limpieza con chorro de arena como un método para eliminar los daños causados ​​por el humo de las estructuras después de los incendios.

El hielo seco también es útil para la desgasificación de los vapores inflamables de los tanques de almacenamiento: la sublimación de los gránulos de hielo seco dentro de un tanque vacío y ventilado provoca una descarga de CO 2 que lleva consigo los vapores inflamables. [33]

La extracción e instalación de las camisas de los cilindros en los motores grandes requiere el uso de hielo seco para enfriar y así encoger la camisa de modo que se deslice libremente en el bloque del motor. Cuando el revestimiento se calienta, se expande y el ajuste de interferencia resultante lo mantiene firmemente en su lugar. Se pueden usar procedimientos similares en la fabricación de conjuntos mecánicos con una alta resistencia resultante, reemplazando la necesidad de pasadores, llaves o soldaduras. [34]

También es útil como fluido de corte .

Científico

En los laboratorios , una suspensión de hielo seco en un solvente orgánico es una mezcla de congelación útil para reacciones químicas frías y para condensar solventes en evaporadores rotativos . [35] El hielo seco y la acetona forman un baño frío de -78 ° C (-108 ° F; 195 K), que se puede utilizar, por ejemplo, para evitar el desbordamiento térmico en una oxidación de Swern .

El proceso de alteración de la precipitación de las nubes se puede realizar con el uso de hielo seco. [36] Fue ampliamente utilizado en experimentos en los Estados Unidos en la década de 1950 y principios de la de 1960 antes de ser reemplazado por yoduro de plata . [36] El hielo seco tiene la ventaja de ser relativamente barato y completamente atóxico. [36] Su principal inconveniente es la necesidad de ser entregado directamente a la región superenfriada de las nubes que se están sembrando. [36]

Bombas de hielo seco

Bomba de hielo seco

Una "bomba de hielo seco" es un dispositivo similar a un globo que utiliza hielo seco en un recipiente sellado, como una botella de plástico . Por lo general, se agrega agua para acelerar la sublimación del hielo seco. A medida que el hielo seco se sublima , la presión aumenta, lo que hace que la botella estalle provocando un fuerte ruido que se puede evitar reemplazando el tapón de rosca con un tapón de goma para hacer un cohete de agua con una botella de dos litros .

El dispositivo de bomba de hielo seco apareció en MythBusters , episodio 57 Mentos and Soda , que se emitió por primera vez el 9 de agosto de 2006. [37] También apareció en un episodio de Time Warp , así como en un episodio de Archer .

Tras el sobrevuelo a Marte de la nave espacial Mariner 4 en 1966, los científicos concluyeron que los casquetes polares de Marte consisten en su totalidad en hielo seco. [38] Sin embargo, los hallazgos hechos en 2003 por investigadores del Instituto de Tecnología de California han demostrado que los casquetes polares de Marte están casi completamente hechos de hielo de agua, y que el hielo seco solo forma una capa superficial delgada que se espesa y adelgaza estacionalmente. [38] [39] Se propuso que ocurriera un fenómeno llamado tormentas de hielo seco sobre las regiones polares de Marte. Son comparables a las tormentas eléctricas de la Tierra, en las que el CO 2 cristalino ocupa el lugar del agua en las nubes. [40] El hielo seco también se propone como mecanismo para los géiseres en Marte . [41]

En 2012, la Agencia Espacial Europea 's Venus Express sonda detectó una capa fría en la atmósfera de Venus donde las temperaturas están cerca del punto triple del dióxido de carbono y es posible que los copos de precipitado hielo seco. [42]

Las observaciones del sobrevuelo de Urano por la Voyager 2 indican que hay hielo seco en la superficie de sus grandes lunas Ariel , [43] Umbriel [43] y Titania . [43] Los científicos especulan que el campo magnético de Urano contribuye a la generación de hielo CO 2 en la superficie de sus lunas. [44] Las observaciones de la Voyager 2 de la luna Tritón de Neptuno sugirieron la presencia de hielo seco en la superficie, aunque las observaciones posteriores indican que los hielos de carbono en la superficie son monóxido de carbono, pero que la corteza lunar está compuesta por una cantidad significativa de hielo seco. [45]

La exposición prolongada al hielo seco puede causar graves daños en la piel por congelación , y la niebla producida también puede dificultar los intentos de retirarse del contacto de manera segura. Debido a que se sublima en grandes cantidades de dióxido de carbono, lo que podría representar un peligro de hipercapnia , el hielo seco solo debe exponerse al aire libre en un ambiente bien ventilado. [30] Por esta razón, al hielo seco se le asigna la frase S S9 en el contexto de la seguridad del laboratorio. El hielo seco industrial puede contener contaminantes que lo hacen inseguro para el contacto directo con alimentos. [46] [ verificación fallida ] Los minúsculos gránulos de hielo seco que se utilizan en la limpieza con chorro de hielo seco no contienen residuos aceitosos.

Aunque el hielo seco no está clasificado como una sustancia peligrosa por la Unión Europea , [47] o como un material peligroso por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos para transporte terrestre, cuando se envía por aire o agua, está regulado como un bien peligroso y por IATA La instrucción de embalaje 954 (IATA PI 954) requiere que se etiquete especialmente, incluida una etiqueta en blanco y negro con forma de diamante, UN 1845 . Además, deben existir arreglos para asegurar una ventilación adecuada para que la acumulación de presión no rompa el empaque. [48] La Administración Federal de Aviación de EE. UU. Permite a los pasajeros de las aerolíneas transportar hasta 2,5 kg (5,5 lb) por persona, ya sea como equipaje facturado o como equipaje de mano, cuando se utilizan para refrigerar productos perecederos. [49]

  • Pellet de hielo seco sublimando en agua, liberando una espesa niebla blanca.

  • Una etiqueta UN 1845 para hielo seco

  1. ^ Por encima del punto triple, el CO 2 pasa por las transiciones más familiares a través de una fase líquida.

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  8. ^ Nota:
    • El Bulletin des Lois du Royaume de France (Boletín de las leyes del reino de Francia), novena serie, parte ii, no. 92, página 74 (febrero de 1832) enumera: "24 ° M. Thilorier (Adrien-Jean-Pierre) Employé à l'administration des postes, demeurant à Paris, place Vendôme, n o 21, auquel il a été délivré le 16 mai dernier, le certificat de sa demande d'un brevet d'invention de dix ans pour le perfectionnement d'une machine à comprimer le gaz; ... "(24 ° Sr. Thilorier (Adrien-Jean-Pierre) empleado en la Oficina de Correos, residente en París, Place Vendôme, nº 21, donde fue entregado el pasado 16 de mayo, el certificado, a petición suya, de una patente de invención por diez años para la mejora de una máquina para comprimir gas;…)
    • En una patente (nº 2896) que se presentó el 16 de mayo de 1831 y que se publicó en 1836, se identifica a Adrien-Jean-Pierre Thilorier, un empleado de la "Administration des postes" francesa (es decir, la oficina de correos) en París explícitamente como inventor de una máquina para comprimir gases que en 1829 ganó el premio Montyon de mecánica de la Academia Francesa de Ciencias. La patente describe la máquina y su rendimiento en detalle. Véase: (Ministerio de Comercio francés), "Pour le perfectionnement d'une machine à comprimer le gaz, ..." (Para la mejora de una máquina para comprimir gas, ...), Description des Machines et Procédés consignés dans les brevets d'invention , 30  : 251-267 (1836).
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  • Moneda de hielo seco y metal