El hielo seco , coloquialmente, significa la forma sólida del dióxido de carbono . Se utiliza comúnmente para refrigeración temporal, ya que el CO2 no tiene un estado líquido a presión atmosférica normal y sublima directamente del estado sólido al estado gaseoso . Se utiliza principalmente como agente refrigerante , pero también se utiliza en máquinas de humo en teatros para efectos dramáticos. Sus ventajas incluyen una temperatura más baja que la del hielo de agua y no deja ningún residuo (aparte de la escarcha incidental de la humedad en la atmósfera). Es útil para conservar alimentos congelados (como el helado) donde no se puede utilizar 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 las lesiones por congelación . Si bien por lo general no es muy tóxico, la desgasificación que desprende puede causar hipercapnia (niveles anormalmente elevados de dióxido de carbono en la sangre) debido a su acumulación en lugares cerrados.
El hielo seco es la forma sólida del 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 inferiores a 5,13 atm y temperaturas inferiores a −56,4 °C (216,8 K; −69,5 °F) (el punto triple ), el CO 2 pasa de estado sólido a gas sin que intervenga ningún líquido, mediante un proceso denominado sublimación . [a] El proceso opuesto se denomina deposición , en el que el CO 2 pasa de estado gaseoso a estado sólido (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/cm3 ( 97 y 106 lb/pie3) por debajo de 195 K (−78 °C; −109 °F). [3] La baja temperatura y la sublimación directa a gas hacen que el hielo seco sea 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 de 571 kJ/kg (25,2 kJ/mol, 136,5 calorías/g).
El hielo seco no es polar , con un momento dipolar de cero, por lo que actúan fuerzas de van der Waals intermoleculares atractivas. [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, notó 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 dejaba 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 fuera exitoso 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 para fines de refrigeración. [9]
El hielo seco se fabrica fácilmente. [11] [12] El método industrial más común para fabricar 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 licúa. A continuación, se reduce la presión. Cuando esto ocurre, parte del dióxido de carbono líquido se vaporiza, lo que provoca 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 pulgadas [13 o 16 mm] de diámetro) y bolitas cilíndricas diminutas ( 1 ⁄ 8 pulgadas [3,2 mm] de diámetro), de gran superficie a volumen que flotan en aceite o agua y no se adhieren a la piel debido a sus altos radios de curvatura. Las bolitas diminutas de hielo seco se utilizan principalmente para limpieza con hielo seco , congelación rápida, extinción de incendios, solidificación de aceite y se ha descubierto que son seguras para la experimentación por parte 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 lb) [ cita requerida ] cubierto en un envoltorio de papel con cinta es el más común. Estos se usan comúnmente en el envío, porque subliman relativamente lento debido a una baja relación de área de superficie a volumen. Las bolitas 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 un aislamiento grueso. [15] La densidad de los pellets es del 60 al 70 % de la densidad de los bloques. [16]
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 licúa 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, en ausencia de disponibilidad o practicidad de enfriamiento mecánico .
El hielo seco es fundamental para la distribución de algunas vacunas, que requieren almacenamiento a temperaturas ultra frías a lo largo de su línea de suministro. [17]
El hielo seco se puede utilizar para congelar rápidamente 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 los insectos en contenedores cerrados de granos y productos a base 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 que los aceites y grasas de los alimentos se vuelvan rancios .
Cuando se coloca hielo seco en agua, se acelera la sublimación y se crean nubes densas de niebla similar al humo que descienden a baja altura. Esto se utiliza en máquinas de humo , en teatros , atracciones de casas embrujadas y clubes nocturnos para efectos dramáticos. A diferencia de la mayoría de las máquinas de humo artificiales , 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 utiliza para congelar y eliminar verrugas . [24] Sin embargo, el nitrógeno líquido funciona mejor en 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 con el almacenamiento, ya que se puede generar a partir de gas de dióxido de carbono comprimido según sea necesario. [ 25 ]
En plomería , se utiliza hielo seco para cortar el flujo de agua a las tuberías y permitir que se realicen reparaciones sin cerrar la red de agua. Se introduce CO2 líquido presurizado en una camisa que envuelve 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 retira la camisa 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. [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]
Se puede utilizar para exterminar roedores. Para ello, se dejan caer bolitas en túneles que los roedores han creado en el suelo y luego se sella 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 incendios, enfriando el combustible y sofocando el fuego al excluir el oxígeno. [29]
La temperatura extrema del hielo seco puede provocar que los materiales viscoelásticos pasen a la fase vítrea , por lo que resulta 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 su reparación. [31]
Uno de los mayores usos mecánicos del hielo seco es la limpieza con 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 residuos de los equipos industriales. Entre los ejemplos de materiales eliminados se incluyen tinta, pegamento, aceite, pintura, moho y caucho. La limpieza con hielo seco 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 con hielo seco es el CO2 sublimado , lo que la convierte en una técnica útil cuando los residuos de otras técnicas de limpieza con chorro de arena 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 los tanques de almacenamiento: la sublimación de gránulos de hielo seco dentro de un tanque vacío y ventilado provoca una salida de CO2 que arrastra consigo los vapores inflamables. [33]
Para desmontar y montar las camisas de los cilindros en los motores de gran tamaño es necesario utilizar hielo seco para enfriar y, por lo tanto, encoger la camisa de modo que se deslice libremente en el bloque del motor. Cuando la camisa se calienta, se expande y el ajuste por interferencia resultante la mantiene firmemente en su lugar. Se pueden utilizar procedimientos similares para fabricar conjuntos mecánicos con una alta resistencia resultante, lo que evita la necesidad de pasadores, chavetas o soldaduras. [34]
El hielo seco se ha utilizado en la construcción para congelar el suelo , y es una alternativa eficaz al nitrógeno líquido . [35] Este método reduce la temperatura del suelo a aproximadamente -70 a -74 °C, congelando rápidamente el agua subterránea. Como resultado, la resistencia y la impermeabilidad del suelo aumentan significativamente, [36] lo que es esencial para la ejecución segura de proyectos de construcción subterránea. [37]
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 frías y para condensar solventes en evaporadores rotatorios . [38] El hielo seco y la acetona forman un baño frío de -78 °C (-108 °F; 195 K), que se puede utilizar, por ejemplo, para prevenir el descontrol 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. [39] Se utilizó ampliamente en experimentos en los EE. UU. en la década de 1950 y principios de la década de 1960 antes de ser reemplazado por yoduro de plata . [39] El hielo seco tiene la ventaja de ser relativamente barato y completamente no tóxico. [39] Su principal desventaja es la necesidad de ser entregado directamente a la región superenfriada de las nubes que se están sembrando. [39]
Una "bomba de hielo seco" es un dispositivo con forma de 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 ruido fuerte. La tapa de rosca se puede reemplazar por un tapón de goma para hacer un cohete de agua .
El dispositivo de bomba de hielo seco apareció en MythBusters , episodio 57 Mentos y Soda , que se emitió por primera vez el 9 de agosto de 2006. [40] También apareció en un episodio de Time Warp , así como en un episodio de Archer .
Tras el paso de la sonda Mariner 4 por Marte en 1966, los científicos concluyeron que los casquetes polares de Marte están compuestos en su totalidad de hielo seco. [41] Sin embargo, los hallazgos realizados en 2003 por investigadores del Instituto Tecnológico de California han demostrado que los casquetes polares de Marte están compuestos casi en su totalidad de hielo de agua, y que el hielo seco solo forma una fina capa superficial que se engrosa y adelgaza estacionalmente. [41] [42] Se propuso que sobre las regiones polares de Marte se produce un fenómeno denominado tormentas de hielo seco. Son comparables a las tormentas eléctricas de la Tierra, en las que el CO2 cristalino sustituye al agua en las nubes. [43] También se propone que el hielo seco es un mecanismo para los géiseres de Marte . [44]
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 precipiten copos de hielo seco. [45]
Las observaciones del paso de Urano por la Voyager 2 indican que hay hielo seco en la superficie de sus grandes lunas Ariel , [46] Umbriel [46] y Titania . [46] Los científicos especulan que el campo magnético de Urano contribuye a la generación de hielo de CO 2 en las superficies de sus lunas. [47] Las observaciones de la Voyager 2 de la luna Tritón de Neptuno 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 de hielo seco. [48]
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 forma segura. Debido a que sublima en grandes cantidades de gas de dióxido de carbono, lo que podría suponer un peligro de hipercapnia , el hielo seco solo debe exponerse al aire libre en un entorno bien ventilado. [30] Por este motivo, en el contexto de la seguridad de 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 alimentos. [50] [ verificación fallida ] Los pequeños pellets de hielo seco utilizados en la limpieza con chorro de hielo seco no contienen residuos aceitosos.
Al hielo seco se le asigna un número ONU , un código para sustancias peligrosas: ONU 1845. [ 51] El hielo seco no está clasificado como una sustancia peligrosa por la Unión Europea , ni como un material peligroso por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos para el transporte terrestre. [52] [51] Sin embargo, en los EE. UU., está regulado como una mercancía peligrosa cuando se envía por aire o agua. Las regulaciones de la Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA) requieren que se coloque una etiqueta específica en blanco y negro con 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 el hielo seco comience a sublimar en el embalaje. [51] La Administración Federal de Aviación de los EE. UU. permite a los pasajeros de aerolíneas llevar hasta 2,5 kg (5,5 lb) por persona, ya sea como equipaje facturado o equipaje de mano, cuando se usa para refrigerar productos perecederos. [53]
Al menos una persona ha muerto a causa del dióxido de carbono que se desprende del hielo seco en las hieleras colocadas en un coche. [54] 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, por lo que puede permanecer cerca del suelo, justo por encima del nivel del agua. [55]
El hielo seco se utiliza a veces para dar un efecto de niebla a los cócteles . Un cliente de un bar que ingirió accidentalmente bolitas de una bebida sufrió quemaduras graves en el esófago , el estómago y el duodeno , lo que le provocó problemas permanentes para comer. [56] [57] La sublimación rápida podría causar una 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 tiempo que producen el efecto de niebla deseado. [58]
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