Hielo seco

Pellets de hielo seco, con helada blanca en la superficie

El hielo seco es la forma sólida del dióxido de carbono. Se usa comúnmente para refrigeración temporal ya que el CO₂ no tiene un estado líquido a la presión atmosférica normal y se sublima directamente del estado sólido al estado gaseoso. Se usa principalmente como agente refrescante, pero también se usa en las máquinas de humo de los teatros para lograr efectos dramáticos. Sus ventajas incluyen una temperatura más baja que la del hielo de agua y que no deja ningún residuo (aparte de la escarcha incidental de la humedad en la atmósfera). Es útil para conservar alimentos congelados (como helados) donde no se dispone de enfriamiento mecánico.

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 manejar sin protección contra lesiones por congelación. Si bien generalmente no es muy tóxico, la liberación de gases puede causar hipercapnia (niveles anormalmente elevados de dióxido de carbono en la sangre) debido a la acumulación en lugares confinados.

Propiedades

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

El hielo seco es la forma sólida del dióxido de carbono (CO₂), 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 disminuir el pH de una solución cuando se disuelve en agua, formando ácido carbónico (H₂CO₃).

A presiones inferiores a 5,13 atm y temperaturas superiores a −56,4 °C (216,8 K; −69,5 °F) (el punto triple), el CO₂ cambia de sólido a gas sin líquido intermedio forma, a través de un proceso llamado sublimación. El proceso opuesto se llama deposición, donde el CO₂ cambia de gas a fase sólida (hielo seco). A presión atmosférica, la sublimación/deposición se produce a 194,7 K (−78,5 °C; −109,2 °F).

La densidad del hielo seco aumenta con la disminución de la temperatura y oscila entre 1,55 y 1,7 g/cm³ (97 y 106 lb/pies cúbicos) por debajo de 195 K (−78 °C; −109 °F). La baja temperatura y la sublimación directa a gas hace que el hielo seco sea un refrigerante efectivo, ya que es más frío que el hielo de agua y no deja residuos cuando cambia de estado. Su entalpía de sublimación es de 571 kJ/kg (25,2 kJ/mol, 136,5 calorias/g).

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

Historia

En general, se acepta 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. 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 evaporaba rápidamente. Esto dejó solo hielo seco sólido en el recipiente. En 1924, Thomas B. Slate solicitó una patente estadounidense para vender comercialmente hielo seco. Posteriormente, se convirtió en el primero en lograr que el hielo seco tuviera éxito como industria. En 1925, esta forma sólida de CO₂ fue registrada por DryIce Corporation of America como "hielo seco", lo que llevó a su nombre común. Ese mismo año, DryIce Co. vendió la sustancia comercialmente por primera vez, comercializándola con fines de refrigeración.

Fabricación

El hielo seco se fabrica fácilmente. El método industrial más común de fabricación de hielo seco implica primero la producción de 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. 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, parte del 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 y adquiera 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.

El hielo seco generalmente se produce en tres formas estándar: bloques grandes, pequeños (1⁄2 o 5⁄8 en [13 o 16 mm] de diámetro) gránulos cilíndricos y pequeños (1⁄8 pulgadas [3,2 mm] de diámetro) gránulos cilíndricos de alto volumen que flotan en aceite o agua y no se adhieren a la piel debido a sus altos radios de curvatura. Los pequeños gránulos de hielo seco se utilizan principalmente para la limpieza criogénica, la congelación rápida, la extinción de incendios y la solidificación del aceite, y se ha comprobado que son seguros para la experimentación por parte de estudiantes de secundaria que usan equipo de protección personal adecuado, como guantes y anteojos de seguridad. Un bloque estándar que pesa aproximadamente 30 kg (66 lb) cubierto con un envoltorio de papel con cinta adhesiva es el más común. Estos se usan comúnmente en el transporte marítimo, porque se subliman con relativa lentitud debido a una baja relación entre el área superficial y el volumen. Los gránulos tienen alrededor de 1 cm (0,4 pulgadas) de diámetro y se pueden embolsar fácilmente. Este formulario es adecuado para uso a pequeña escala, por ejemplo, en supermercados y laboratorios donde se almacena en un cofre con aislamiento grueso. La densidad de los gránulos es del 60-70% de la densidad de los bloques.

El hielo seco también se produce como subproducto de la separación criogénica del aire, una industria que se ocupa principalmente de la fabricación de líquidos extremadamente fríos, como el nitrógeno líquido y el oxígeno líquido. En este proceso, el dióxido de carbono se licua y/o se congela a una temperatura mucho más alta en comparación con la necesaria para licuar el nitrógeno y el oxígeno. El dióxido de carbono debe eliminarse durante el proceso para evitar que el hielo seco ensucie el equipo y, una vez separado, puede procesarse en hielo seco comercial de manera similar a la descrita anteriormente.

Aplicaciones

Comercial

Un carrito de helados

El uso más común del hielo seco es para conservar alimentos, utilizando 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, ante la falta de disponibilidad o practicidad del enfriamiento mecánico.

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

El hielo seco se puede usar para congelar instantáneamente alimentos o muestras biológicas de laboratorio, carbonatar bebidas, hacer helados, solidificar derrames de petróleo y evitar que las esculturas de hielo y las paredes de hielo se derritan.

El hielo seco se puede usar para detener y prevenir la actividad de 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 retardar el enranciamiento de los aceites y grasas de los alimentos.

Cuando se coloca hielo seco en el agua, se acelera la sublimación y se crean densas nubes de niebla parecidas al humo que se hunden a baja altura. Esto se usa en máquinas de niebla, en teatros, atracciones de casas embrujadas y clubes nocturnos para efectos dramáticos. A diferencia de la mayoría de las máquinas de niebla artificial, en las que la niebla se eleva como humo, la niebla del hielo seco flota cerca del suelo. El hielo seco es útil en producciones teatrales que requieren efectos de niebla densa. La niebla se origina a partir de la masa de agua en la que se coloca el hielo seco y no del vapor de agua atmosférico (como suele suponerse).

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

En plomería, el hielo seco se usa para cortar el flujo de agua a las tuberías y permitir que se realicen reparaciones sin cerrar la red principal de agua. El CO₂ líquido presurizado se introduce a la fuerza en una camisa envuelta alrededor de una tubería, lo que a su vez hace que el agua del interior se congele y bloquee la tubería. Cuando se realizan las reparaciones, se quita la chaqueta y el tapón de hielo se derrite, lo que permite que se reanude el flujo. Esta técnica se puede utilizar en tuberías de hasta 4 pulgadas o 100 mm de diámetro.

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

Se puede utilizar para exterminar roedores. Esto se hace arrojando gránulos 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.

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

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

Industrial

Bombeo de hielo seco usado para limpiar un molde de goma

Bombeo de hielo seco utilizado para la limpieza de instalaciones eléctricas

El hielo seco se puede usar para aflojar baldosas de asfalto o material insonorizante de automóviles, lo que facilita su extracción, así como para congelar agua en tuberías sin válvulas para permitir su reparación.

Uno de los mayores usos mecánicos del hielo seco es la limpieza a chorro. Los gránulos de hielo seco se disparan desde una boquilla con aire comprimido, combinando la potencia de la velocidad de los gránulos con la acción de la sublimación. Esto puede eliminar residuos de equipos industriales. Los 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 principal residuo ambiental de la limpieza criogénica es el CO₂ sublimado, lo que la convierte en una técnica útil donde los residuos de otras técnicas de limpieza son indeseables. Recientemente, se ha introducido la limpieza a chorro 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 desgasificar los vapores inflamables de los tanques de almacenamiento: la sublimación de gránulos de hielo seco dentro de un tanque vacío y ventilado provoca una salida de CO₂ que lleva consigo el vapores inflamables.

La extracción y el montaje de las camisas de los cilindros en motores grandes requiere el uso de hielo seco para enfriar y, por lo tanto, encoger la camisa para 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 ensamblajes mecánicos con una alta resistencia resultante, reemplazando la necesidad de pasadores, llaves o soldaduras.

También es útil como fluido de corte.

Científica

En los laboratorios, una suspensión de hielo seco en un solvente orgánico es una mezcla congelante útil para reacciones químicas en frío y para condensar solventes en evaporadores rotatorios. 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 la fuga térmica en una oxidación de Swern.

El proceso de alteración de la precipitación de nubes se puede realizar con el uso de hielo seco. Fue ampliamente utilizado en experimentos en los EE. UU. en la década de 1950 y principios de la de 1960 antes de ser reemplazado por yoduro de plata. El hielo seco tiene la ventaja de ser relativamente barato y completamente no tóxico. Su principal inconveniente es la necesidad de ser enviado directamente a la región sobreenfriada de las nubes que se están sembrando.

Bombas de hielo seco

Bomba de hielo seca

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. Generalmente 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 reviente y produzca un ruido fuerte que se puede evitar reemplazando la tapa roscada por 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. También apareció en un episodio de Time Warp, así como en un episodio de Archer.

Ocurrencia extraterrestre

Tras el sobrevuelo de Marte de la nave espacial Mariner 4 en 1966, los científicos concluyeron que Marte' Los casquetes polares consisten enteramente en hielo seco. Sin embargo, los hallazgos realizados en 2003 por investigadores del Instituto de Tecnología de California han demostrado que Mars' Los casquetes polares están hechos casi en su totalidad de hielo de agua, y ese hielo seco solo forma una capa superficial delgada que se espesa y adelgaza según la estación. Se propuso que ocurriera un fenómeno denominado tormentas de hielo seco sobre las regiones polares de Marte. Son comparables a las tormentas eléctricas de la Tierra, con CO₂ cristalino tomando el lugar del agua en las nubes. El hielo seco también se propone como mecanismo para los géiseres en Marte.

En 2012, la sonda Venus Express de la Agencia Espacial Europea 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 se precipiten escamas de hielo seco.

Las observaciones del sobrevuelo de Urano por la Voyager 2 indican que hay hielo seco en la superficie de sus grandes lunas Ariel, Umbriel y Titania. Los científicos especulan que el campo magnético de Urano contribuye a la generación de hielo de CO₂ en la superficie de sus lunas. Las observaciones de la Voyager 2 de la luna de Neptuno, Tritón, sugirieron la presencia de hielo seco en la superficie, aunque las observaciones de seguimiento indican que los hielos de carbono en la superficie son monóxido de carbono, pero que la corteza de la luna está compuesta por una cantidad significativa. cantidad de hielo seco.

Seguridad

La exposición prolongada al hielo seco puede causar daños severos 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. Por esta razón, en el contexto de la seguridad del laboratorio, al hielo seco se le asigna la etiqueta de precaución P403: "Almacenar en un lugar bien ventilado.". El hielo seco industrial puede contener contaminantes que lo hacen inseguro para el contacto directo con los alimentos. Los diminutos gránulos de hielo seco utilizados en la limpieza con hielo seco no contienen residuos aceitosos.

Al hielo seco se le asigna un número ONU, un código para sustancias peligrosas: UN 1845. El hielo seco no está clasificado como sustancia peligrosa por la Unión Europea, ni como material peligroso por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos para el transporte terrestre. Sin embargo, en los EE. UU., está regulado como mercancía peligrosa cuando se envía por aire o agua. Las regulaciones de la Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA) requieren que se coloquen etiquetas específicas en blanco y negro en forma de diamante en el paquete. El paquete debe tener una ventilación adecuada para que no se rompa por la presión en caso de que comience a sublimar en el empaque. La Administración Federal de Aviación de los EE. UU. permite a los pasajeros de líneas aéreas llevar hasta 2,5 kg (5,5 lb) por persona, ya sea como equipaje facturado o como equipaje de mano, cuando se utiliza para refrigerar productos perecederos.

Al menos una persona ha muerto por la sublimación del gas de dióxido de carbono del hielo seco en los refrigeradores colocados en un automóvil. En 2020, tres personas murieron en una fiesta en Moscú después de que se arrojaran 25 kg de hielo seco en una piscina; El dióxido de carbono es más pesado que el aire y, por lo tanto, puede permanecer cerca del suelo, justo por encima del nivel del agua.

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  Pellets de hielo seco subliming en agua, liberando gruesa niebla blanca.

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  Una etiqueta de ONU 1845 para hielo seco

Beber

A veces se usa hielo seco para dar un efecto de niebla a los cócteles. Un cliente de un bar que accidentalmente ingirió gránulos de una bebida sufrió quemaduras graves en el esófago, el estómago y el duodeno, lo que le provocó problemas permanentes para comer. La sublimación rápida podría causar una acumulación de gas que rompa los órganos digestivos o asfixie. Los productos que contienen hielo seco y evitan que sea ingerido accidentalmente eliminan estos riesgos mientras producen el efecto de niebla deseado.

Notas explicativas