Hielo seco significa coloquialmente la forma sólida de dióxido de carbono . Se utiliza comúnmente para refrigeración temporal ya que el CO 2 no tiene estado líquido a presión atmosférica normal y se sublima directamente del estado sólido al estado gaseoso . Se utiliza principalmente como agente refrescante , pero también se utiliza en máquinas de niebla en los teatros para 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 debidas a la humedad de la atmósfera). Es útil para conservar alimentos congelados (como helados) donde no se dispone de refrigeración mecánica .
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 sea peligroso manipular el sólido sin protección contra lesiones por congelación . Si bien generalmente no es muy tóxico, su desgasificación puede causar hipercapnia (niveles anormalmente elevados de dióxido de carbono en la sangre) debido a su acumulación en lugares confinados.
El hielo seco es la forma sólida del dióxido de carbono (CO 2 ), una molécula que consta de un único 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 inferiores a 5,13 atm y temperaturas inferiores a −56,4 °C (216,8 K; −69,5 °F) (el punto triple ), el CO 2 cambia de sólido a gas sin forma líquida intermedia, mediante un proceso llamado sublimación . [a] El proceso opuesto se llama deposición , donde el CO 2 cambia de la fase gaseosa a la fase 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 al disminuir la temperatura y oscila entre aproximadamente 1,55 y 1,7 g/cm 3 (97 y 106 lb/pie cúbico) por debajo de 195 K (−78 °C; −109 °F). [3] La baja temperatura y la sublimación directa a un gas hacen del hielo seco un refrigerante eficaz , ya que es más frío que el hielo de agua y no deja residuos a medida que cambia de estado. [4] Su entalpía de sublimación es 571 kJ/kg (25,2 kJ/mol, 136,5 calorías/g).
El hielo seco es apolar , con un momento dipolar de cero, por lo que actúan fuerzas de atracción intermoleculares de van der Waals . [5] La composición da como resultado una baja conductividad térmica y eléctrica . [6]
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. [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 evaporaba rápidamente. Esto dejó solo hielo seco sólido en el contenedor. 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 dio lugar a su nombre común. [10] Ese mismo año DryIce Co. vendió la sustancia comercialmente por primera vez, comercializándola con fines de refrigeración. [9]
El hielo seco se fabrica fácilmente. [11] [12] El método industrial más común de fabricación de hielo seco comienza con un gas que tiene 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 se refrigera hasta que se licua. A continuación, se reduce la presión. Cuando esto ocurre, parte del dióxido de carbono líquido se vaporiza, provocando un rápido descenso de la temperatura del líquido restante. Como resultado, el frío extremo hace que el líquido se solidifique hasta adquirir una consistencia similar a la de la nieve. Finalmente, el dióxido de carbono sólido, parecido a la nieve, se comprime en pequeños gránulos o bloques más grandes de hielo seco. [13] [14]
El hielo seco generalmente se produce en tres formas estándar: bloques grandes, bolitas cilíndricas pequeñas ( 1 ⁄ 2 o 5 ⁄ 8 pulgadas [13 o 16 mm] de diámetro) y pequeñas ( 1 ⁄ 8 pulgadas [3,2 mm] de diámetro) cilíndricas de superficie alta. a gránulos de volumen que flotan en aceite o agua y no se pegan 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 de aceite, y se ha descubierto que son seguros para la experimentación de estudiantes de secundaria que usan el equipo de protección personal adecuado , como guantes y gafas de seguridad. Lo más común es un bloque estándar que pesa aproximadamente 30 kg (66 lb) [ cita necesaria ] cubierto con un envoltorio de papel con cinta adhesiva. Estos se utilizan comúnmente en el transporte marítimo, porque se subliman relativamente lentamente debido a una baja relación entre superficie y volumen. Los pellets tienen 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 tiendas de comestibles y laboratorios , donde se almacena en un cofre con aislamiento grueso. [15] La densidad de los gránulos es del 60 al 70% de la densidad de los bloques. [dieciséis]
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 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 para obtener hielo seco comercial de una manera similar a la descrita anteriormente.
El uso más común del hielo seco es para conservar alimentos, [1] utilizando refrigeración no cíclica .
Se utiliza frecuentemente para envasar artículos que deben permanecer fríos o congelados, como helados o muestras biológicas, ante la falta de disponibilidad o practicidad de enfriamiento mecánico .
El hielo seco es fundamental en el despliegue de algunas vacunas, que requieren almacenamiento a temperaturas ultrafrías a lo largo de su línea de suministro. [17]
El hielo seco se puede utilizar para congelar instantáneamente alimentos [18] o muestras biológicas de laboratorio, [19] bebidas carbonatadas , [18] hacer helado , [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 insectos en recipientes cerrados de cereales y productos de cereales, ya que desplaza el oxígeno, pero no altera el sabor ni la calidad de los alimentos. Por la misma razón, puede prevenir o retardar que los aceites y grasas alimentarios se vuelvan rancios .
Cuando se coloca hielo seco en agua, la sublimación se acelera y se crean densas nubes de niebla parecidas a humo que se hunden bajo. Se utiliza en máquinas de niebla , teatros , atracciones de casas encantadas y clubes nocturnos para lograr efectos dramáticos. A diferencia de la mayoría de las máquinas de niebla artificiales , en las que la niebla se eleva como humo, la niebla del hielo seco flota cerca del suelo. [14] El hielo seco es útil en producciones teatrales que requieren efectos de niebla densa. [22] La niebla se origina en la masa de agua en la que se coloca el hielo seco, y no en el vapor de agua atmosférico (como comúnmente se supone). [23]
Ocasionalmente se utiliza para congelar y eliminar las verrugas . [24] Sin embargo, el nitrógeno líquido desempeña mejor esta función, ya que es más frío, por lo que requiere menos tiempo para actuar y necesita menos presión para almacenarse. [25] El hielo seco tiene menos problemas de almacenamiento, ya que puede generarse a partir de dióxido de carbono comprimido según sea necesario. [25]
En plomería , el hielo seco se utiliza para cortar el flujo de agua a las tuberías y permitir realizar reparaciones sin cerrar la tubería de agua. El CO 2 líquido presurizado se introduce 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 finalizan las reparaciones, se retira la camisa y el tapón de hielo se derrite, permitiendo que se reanude el flujo. Esta técnica se puede utilizar en tuberías de hasta 4 pulgadas o 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 bolitas en túneles para 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 utilizar pequeñas bolitas 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 fase vítrea . Por tanto, es útil para eliminar muchos tipos de adhesivos sensibles a la presión .
El hielo seco se puede utilizar para aflojar baldosas de asfalto o material insonorizante de automóviles, lo que facilita su extracción [30] , así como para congelar agua en tuberías sin válvulas para permitir la reparación. [31]
Uno de los usos mecánicos más importantes del hielo seco es la limpieza con chorro de arena . Las bolitas de hielo seco se disparan desde una boquilla con aire comprimido , combinando el poder de la velocidad de las bolitas con la acción de la sublimación. Esto puede eliminar residuos de equipos industriales. Ejemplos de materiales eliminados incluyen tinta, pegamento, aceite, pintura, moho y caucho. La limpieza criogénica puede sustituir al chorro de arena, al chorro de vapor, al chorro de agua o al chorro de disolvente. El principal residuo ambiental de la limpieza criogénica es el CO2 sublimado , lo que la convierte en una técnica útil cuando los residuos de otras técnicas de limpieza no son deseables. [32] Recientemente, la limpieza con chorro de arena se ha introducido 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 vapores inflamables de tanques de almacenamiento: la sublimación de los gránulos de hielo seco dentro de un tanque vacío y ventilado provoca una ráfaga de CO 2 que arrastra consigo los vapores inflamables. [33]
La extracción y colocación de camisas de cilindros en motores grandes requiere el uso de hielo seco para enfriar y así encoger la camisa para que se deslice libremente dentro del bloque del motor. Cuando el revestimiento se calienta, se expande y el ajuste de interferencia resultante lo mantiene firmemente en su lugar. Se pueden utilizar procedimientos similares en la fabricación de conjuntos mecánicos con una alta resistencia resultante, reemplazando la necesidad de pasadores, chavetas o soldaduras. [34]
También es útil como fluido de corte .
En los laboratorios , una suspensión de hielo seco en un solvente orgánico es una mezcla de congelación útil para reacciones químicas en frío y para condensar solventes en evaporadores rotatorios . [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 la fuga térmica en una oxidación de Swern .
El proceso de alteración de la precipitación de las nubes se puede realizar mediante el uso de hielo seco. [36] Fue ampliamente utilizado en experimentos en los EE. UU. en los años 1950 y principios de los 1960 antes de ser reemplazado por yoduro de plata . [36] El hielo seco tiene la ventaja de ser relativamente barato y completamente no tóxico. [36] Su principal inconveniente es la necesidad de ser entregado directamente a la región superenfriada de las nubes que se están sembrando. [36]
Una "bomba de hielo seco" es un dispositivo parecido 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 explote con un fuerte ruido. El tapón de rosca se puede sustituir por un tapón de goma para hacer un cohete de agua .
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 de la nave espacial Mariner 4 a Marte en 1966, los científicos concluyeron que los casquetes polares de Marte están compuestos enteramente de hielo seco. [38] Sin embargo, los hallazgos realizados en 2003 por investigadores del Instituto de Tecnología de California han demostrado que los casquetes polares de Marte están hechos casi en su totalidad de hielo de agua, y que el hielo seco sólo 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 de la Tierra: el CO 2 cristalino reemplaza al agua en las nubes. [40] El hielo seco también se propone como mecanismo para los géiseres de Marte . [41]
En 2012, la sonda Venus Express de la Agencia Espacial Europea detectó una capa fría en la atmósfera de Venus donde las temperaturas se acercan al punto triple del dióxido de carbono y es posible que precipiten copos de hielo seco. [42]
Las observaciones del sobrevuelo de Urano por la Voyager 2 indican que hay hielo seco presente 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 de CO 2 en las superficies de sus lunas. [44] Las observaciones de la luna Tritón de Neptuno con la Voyager 2 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 de la luna está compuesta de una cantidad significativa de hielo seco. [45]
La exposición prolongada al hielo seco puede provocar daños graves en la piel por congelación , y la niebla producida también puede dificultar los intentos de retirarse del contacto de forma segura. Debido a que se sublima en grandes cantidades de dióxido de carbono, lo que podría representar un peligro de hipercapnia , el hielo seco sólo debe exponerse al aire libre en un ambiente bien ventilado. [30] 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. [47] [ verificación fallida ] Las pequeñas bolitas de hielo seco utilizadas en la limpieza criogénica no contienen residuos aceitosos.
Al hielo seco se le asigna un número ONU , un código para sustancias peligrosas: ONU 1845 . [48] 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. [49] [48] Sin embargo, en los EE. UU., está regulado como una mercancía peligrosa cuando se envía por aire o agua. Las regulaciones de la Asociación de Transporte Aéreo Internacional (IATA) requieren que se coloquen en el paquete etiquetas específicas en blanco y negro con forma de diamante. El paquete debe tener una ventilación adecuada para que no se rompa por la presión en caso de que el Hielo Seco comience a sublimar en el embalaje. [48] La Administración Federal de Aviación de EE. UU. permite a los pasajeros de líneas aéreas transportar hasta 2,5 kg (5,5 lb) por persona, ya sea como equipaje facturado o equipaje de mano, cuando se utiliza para refrigerar productos perecederos. [50]
Al menos una persona ha muerto a causa del gas dióxido de carbono que se sublima del hielo seco en las neveras portátiles colocadas en un coche. [51] En 2020, tres personas murieron en una fiesta en Moscú después de que se arrojaran 25 kg de hielo seco a 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. [52]
A veces se utiliza hielo seco para dar un efecto de niebla a los cócteles . Un cliente de un bar que ingirió accidentalmente gránulos de una bebida sufrió graves quemaduras en el esófago , el estómago y el duodeno , lo que le provocó problemas permanentes para comer. [53] [54] La sublimación rápida podría causar acumulación de gas que rompa los órganos digestivos o asfixia. Los productos que contienen hielo seco y evitan que se ingiera accidentalmente eliminan estos riesgos al mismo tiempo que producen el efecto de niebla deseado. [55]
