VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Однажды я ходил к другу на день рождения. В праздничной программе были необычные опыты, которые проводили аниматоры. Позже я узнал, что это были опыты с сухим льдом. Они мне очень понравились. Я решил узнать, что это за вещество – сухой лёд, где его используют и в домашних условиях провести опыты с сухим льдом.

Объект исследования: сухой лёд.

Предмет исследования: процесс взаимодействия сухого льда с различными средами.

Цель работы: узнать, что такое сухой лёд, где его используют и в домашних условиях провести опыты с сухим льдом.

Задачи:

1) изучить литературу по теме исследования;

2) определить понятие «сухой лёд»;

3) узнать историю создания сухого льда;

4) познакомиться с технологией получения сухого льда;

5) узнать, в каких сферах используют сухой лёд;

6) выяснить пользу и вред сухого льда;

7) провести опыты с сухим льдом в домашних условиях.

Гипотеза: если помещать сухой лёд в различные среды, то можно наблюдать интересные, яркие и красивые явления.

Методы исследования:

1) анализ литературы;

2) наблюдение;

3) эксперимент;

4) метод обобщения результатов исследования.

При написании данной работы были использованы научная литература, статьи в периодических изданиях Российской Федерации. Основными источниками, раскрывающими теоретические основы работы, явились работы Вукаловича М.П., Алтунина В.В., Тезикова А.Д. В данных источниках подробно рассмотрены понятие, свойства, области применения, условия хранения сухого льда.

Личный вклад автора состоит в том, что обобщена и систематизирована информация о сухом льде, в проведении опытов, которые подтверждают возможность их проведения в домашних условиях.

Глава 1. Теоретическая часть исследования

Определение понятия «сухой лёд»

Как известно, вода имеет три состояния и одним из них является самый обычный лед, получить который даже в домашних условиях не составляет труда. Всё, что для этого нужно, это налить воду в формочку и охладить ее до 0°С. А вот то, что лёд может быть представлен в разном виде известно не каждому. Самым популярным на сегодняшний день является сухой лёд [7].

«Сухой лёд» ­- это замороженный углекислый газ CO2. При обычных
условиях (атмосферном давлении и комнатной температуре) он переходит
в парообразное состояние, минуя жидкую фазу. Данный процесс называется
сублимация или возгонка [7].

По внешнему виду он напоминает обычный лёд (отсюда название). А
сухим называется потому, что он вовсе не тает, образуя воду, а сразу
переходит в газообразное состояние. Сухой лёд имеет температуру - 78,5ºС [5].

История изобретения сухого льда

Первым создал сухой лёд французский химик Чарльз Тилори. Это произошло в 1834 году. В те времена это открытие не нашло ещё своего потребителя.

Название «сухой лёд» изначально было в 1925 году зарегистрировано как торговая марка американской компанией DryIceCorporationofAmerica, впервые в истории начавшей коммерческое производство сухого льда для продажи его как охладителя [6].

С этого времени в США стали применять «быструю заморозку» и охлаждение продукции с применением сухого льда. В основном, это были продукты питания, перевозимые железнодорожными вагонами. В 1932 году производство сухого льда значительно увеличилось и достигло цифры в 55 тысяч тонн. С этого времени производство и потребление сухого льда стало возрастать и начало приобретать промышленные масштабы.

Одним из важнейших конкурентных преимуществ сухого льда перед обычным льдом является то, что его холодопроизводительность в 2 раза выше, учитывая одинаковую температуру.

Кусочек сухого льда (или гранула) напоминает снег в прессованном виде, а не лёд. Производится сухой лёд в двух видах: гранулированный или блочный.

В настоящее время более востребованным у потребителя считается гранулированный сухой лёд, так как он  обладает более плотной структурой, его дозированное применение намного экономичнее и удобнее. Также, использование блочного сухого льда во многих  производствах невозможно, поэтому его приходится дробить, применяя крешер – специальный прибор для измельчения сухого льда, данная процедура занимает некоторое время, что является причиной для  снижения производительности труда [3].

В промышленных масштабах сухой лёд стал производиться сравнительно недавно: в конце 70-х годов ХХ века.

1.3. Технология получения сухого льда

В промышленности

В сухой лёд переходит углекислый газ при охлаждении и сжатии. Сам газ для сухого льда получают несколькими способами. В промышленности его делают из продуктов разложения доломита или известняка, печных газов. Смесь газов обрабатывают карбонатом калия. Образуется гидрокарбонат, раствор которого при понижении давления и производит углекислоту. Для пищевой промышленности применяют газ из спиртового брожения.

Углекислый газ также получают при разделении воздуха. Он является побочным продуктом извлечения чистого кислорода, аргона и азота.

В лаборатории небольшие количества сухого льда получают путём химической реакции гидрокарбонатов и карбонатов с кислотами [4. С. 28].

В домашних условиях

Для получения сухого льда используется жидкая углекислота, находящаяся под давлением. В домашних условиях получить такое давление невозможно, поэтому можно взять уже готовое вещество. Находится оно, например, в углекислотном огнетушителе типа ОУ. Для получения сухого льда нужно надеть защитные очки и плотные перчатки. Снять пломбу и вынуть предохранительную чеку. Взять плотный мешок и надеть его на раструб огнетушителя. Нажать рычаг и выпустить немного находящейся под давлением углекислоты. Она должна попасть в мешок [4. С. 36].

Свойства сухого льда:

— температура около - 78,5ºС;

— при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, переходит в парообразное состояние, минуя состояния жидкости;

— не имеет запаха, цвета и вкуса;

— не токсичен;

— не горюч [1. С. 94].

Хранение сухого льда

Сухой лёд хранят в изотермических контейнерах, которые дополнительно охлаждаются. В них сублимация значительно снижается.

В домашних условиях хранить сухой лёд можно в герметичных пенопластовых коробках (толщина стенок пенопласта должна быть не меньше 3 см) помещённых в морозильную камеру. [1. С. 108].

1.4. Области применения сухого льда

Большинство людей считает, что сухой лёд может использоваться только в промышленных целях, однако, на самом деле это не так. Области применения сухого льда обширны и разнообразны.

В пищевой промышленности для охлаждения продуктов

Применяется в морозильных блоках или камерах, где хранятся продукты питания (мороженое и т.д.). Одно из уникальных свойств: при повышении давления сухой лёд испаряется, не оставляя водяных следов, поэтому он очень удобен в эксплуатации [4. С. 48].

Для создания спецэффектов во время театральных постановок Сухой лед используют для демонстрации эффективной и безопасной дымовой завесы. Её можно получить, поместив вещество в специальную дымовую машину [4. С. 48].

В ресторанной сфере для приготовления коктейлей со спецэффектами и оформления столов

Есть целый ряд алкогольных напитков, приготовление которых основывается на использовании диоксида углерода. Если маленький кусочек сухого льда опустить в жидкость, то на её поверхности появятся белые пузыри, дым, и она забурлит. [4. С. 48].

Также с его помощью часто оформляют столы для фуршетов: выкладывают CO2 в красивую посуду на высокой ножке, а в неё помещают блюдо меньшего размера с морепродуктами или на основе свежего фарша. Такая подача эффектно смотрится и сохраняет прохладную температуру[4. С. 49].

Чтобы сделать газированную воду

Опустив небольшой кусочек сухого льда в обычную воду, за считанные секунды можно получить эффект газировки. Такие напитки и в промышленной сфере изготавливают именно с использованием диоксида углерода [4. С. 43].

Для очистки многокомпонентного оборудования, которое не разбирается на мелкие запчасти

Микрочастицы сухого льда хорошо очищают оборудование в типографиях, производственных цехах, проникая во все отверстия машин [4. С. 49].

Для тушения пожаров

По специальной технологии двуокись углерода можно сжать и наполнить ею баллоны, которые предназначены для тушения горючих жидкостей, двигателей и сооружений, находящихся под напряжением. Дело в том, что CO2 не электропроводен, попадая в воздух, он уменьшает концентрацию кислорода, и пожар прекращается [4. С. 45].

Цветоводство

Если вы хотите, чтобы цветы дольше радовали вас, насыпьте на поверхность почвы немного сухого льда, который создаст эффект охлаждения и поможет задержать момент распускания. Чтобы не навредить растению, следите за тем, чтобы оно не соприкасалось с гранулами непосредственно [4. С. 56].

Сантехнические работы

Изредка данное вещество используют в тех случаях, когда нужно изолировать небольшой участок трубопровода. Для этого на него надевают специальный кожух, под который подается жидкий углекислый газ либо закладывается сухой лёд. В процессе испарения он поглощает большое количество тепла, приводя к образованию так называемой «ледяной пробки» (это единственный способ остановить на время циркуляцию воды, если отсутствуют отсечные вентили) [4. С. 54].

Отделочные работы

Если нужно избавиться от старой керамической плитки, то для облегчения работы стоит посыпать её поверхность сухим льдом и подождать, пока он испарится. В результате отдельные элементы сожмутся, и убрать их будет легче. В целом это достаточно трудоёмкий способ, однако он идеально подходит для тех случаев, когда нужно заменить поврежденный фрагмент, состоящий всего из нескольких плиток [4. С. 52].

Медицина

Также сухой лед пользуется популярностью в медицине. С его помощью можно быстро и эффективно заморозить биологические образцы, чтобы затем подвергнуть их анализу или поместить на хранение в специальные резервуары. Сухой лед также широко используется при перевозке донорской крови и трансплантатов [4. С. 51].

1.5. Польза и вред сухого льда

Тот факт, что это вещество используют в таких разных сферах, уже говорит о том, что оно обладает целым рядом полезных свойств. Даже в повседневной жизни мы каждый день сталкиваемся с продуктами, в состав которых входит диоксид углерода, но не замечаем этого.

Полезные свойства газа

Продлевает срок годности продуктов питания.

Диоксид углерода обозначается кодом Е290 и используется как консервант в пищевой промышленности. Его наличие в продукте говорит о том, что сроки хранения увеличены, но при этом все технологические нормы учтены. Он входит в состав консервантов молочной и мясной продукции [6].

Разрыхляет тесто.

Двуокись углерода часто используется кондитерами, потому что этот ингредиент «поднимает» тесто для сладкой выпечки не хуже дрожжей [6].

Удобряет почву, способствуя увеличению урожая.

Правда, применять этот вид удобрения желательно в закрытых помещениях, например, в оранжерее. Сухой лед в газообразном состоянии благотворно влияет на почву и любые растения, улучшая их состояние, продлевая период цветения [7].

Обладает притягивающим ароматом для комаров.

Это позволяет использовать его как приманку для этих насекомых [7].

Помогает бороться с грызунами.

Часто подробленный сухой лед применяют для борьбы с мышами на производстве, где нельзя использовать химические порошки или любую другую отраву. В норку мыши нужно насыпать мелкого сухого льда - он плотно закроет отверстие, не пропуская кислород. Для получения 100% результата важно, чтобы нора не имела еще одного отверстия [6].

Вред сухого льда на организм

Углекислый газ в любом виде считается безопасным для человека веществом. Однако при контакте с CO2 нужно быть внимательным, потому что иногда это вещество всё-таки может привести к проблемам [6].

Какой вред может принести сухой лёд:

Провоцирует проблемы с желудком.

Любители газированной воды должны относиться с чувством меры к такой жидкости. В её составе также есть CO2, и если у человека имеются минимальные проблемы с желудочно-кишечным трактом, это вещество их только усугубит. Самые известные последствия - отрыжка, изжога, вздутие [8].

Может вызвать ожог.

Сухой лёд - жгуче-холодный продукт, температура которого составляет - 78,5ºС. Если работать с ним без перчаток, можно за считанные секунды получить сильный ожог [6].

При неправильном хранении может стать причиной травмы.

Для хранения сухого льда нельзя пользоваться пластиковыми или стеклянными бутылками, потому что в результате испарения это вещество имеет свойство расширяться в сотни раз. Это может стать причиной сильного взрыва, который будет опасен для человека [6].

Может вызывать головокружение.

Несмотря на то, что это вещество безопасно и нетоксично, любые манипуляции с сухим льдом советуют проводить в просторном помещении, где в любой момент можно открыть окна и проверить его. В редких случаях углекислый газ может вызывать лёгкое недомогание [6].

Чтобы не допустить возможного вредного воздействия вещества на кожу, работать стоит без колец на пальцах. Особенно тщательно нужно следить, чтобы ледяная крошка сухого льда не попала в глаза – это может привести к сильному раздражению. Если это случилось, нужно умыться прохладной водой.

Глава 2. Практическая часть исследования

Опыты с сухим льдом в домашних условиях

При проведении опытов с сухим льдом мы заметили следующие интересные явления.

1 опыт

Мы взяли ложку и прижали ею сухой лёд, услышали звук, вызванный микровибрациями ложки при возгонке льда.

2 опыт

В ёмкость с сухим льдом мы добавили воду, окрашенную пищевой краской, вода окрасилась, но газ остался белого цвета.

3 опыт

Я взял маленький кусочек сухого льда закупорил в бутылке с водой и взболтал. Лёд полностью растворился и получилась газированная вода. Но если положить слишком много сухого льда, то бутылка может взорваться. Вкус воды не изменился.

4 опыт

Мы взяли пустую колбу, налили в неё горячую воду и бросили немного сухого льда. Колбу закупорили пробкой. Через несколько секунд пробка выстрелила. Давление – удивительная вещь, именно благодаря ему, пробка выстреливает. [2. С. 73].

5 опыт

Надев перчатку, я взял сухой лёд и бросил в тёплую воду, пошёл пар белого цвета, похожий на кипение воды, вызванный переходом из твёрдого состояния льда в газообразное. Добавив воду погорячее, пар становился гуще.

6 опыт

В ёмкость с тёплой водой мы добавили сухой лёд и жидкое мыло. Появились пузырьки на поверхности воды. Прикоснувшись к пене, пузырики лопнули, газ красиво выбрался наружу.

7 опыт

Мы смазали мылом края ёмкости с водой. Взяли тряпичную ленту и погрузили её в мыло. С помощью мыльной ленты аккуратно натянули на ёмкость мыльную плёнку. Двуокись углерода оказалась запертой внутри и начал надуваться огромный мыльный пузырь.

8 опыт

Надев перчатку, я взял бутылку и в верхней части сделал отверстие. В отверстие вставил трубочку. Насыпал внутрь бутылки сухой лёд. Налил в бутылку немного воды. Опустил конец трубочки в раствор для мыльных пузырей. Получились мыльные пузыри, наполненные углекислым газом.

Заключение

Предметом нашего исследования выступалзамороженный углекислый газ CO2, также известный как сухой лёд. В работе мы рассмотрели его свойства, технологию получения, а также области применения сухого льда. Мы постарались доказать актуальность применения данного вещества и пользу его использования в различных областях жизни.

В данной исследовательской работе мы показали, что области применения сухого льда разнообразны: в домашних условиях, в творчестве (театр), на производстве и даже в медицине.

Больше всего нам понравилось проводить опыты с сухим льдом! Большая часть опытов с сухим льдом основана на одном и том же принципе: при контакте с водой сухой лёд начинает бурно переходить из твёрдого состояния в газообразное, выглядит это как кипение, только со значительно более ярким и характерным парообразованием. Причём, испаряющийся диоксид углерода, тяжелее воздуха и поэтому пар стелется по поверхности окружающей ёмкости с водой, а не поднимается вверх. Его нахождение в тёпловой воде сопровождается очень красивым выделением огромного количества газа. А главное, что этот газ совершенно безопасен.

В результате практической части нашего исследования гипотеза подтвердилась. Я увидел, что если помещать сухой лёд в различные среды, то можно наблюдать очень интересные, яркие и красивые явления.

Цель данной исследовательской работы - узнать, что такое сухой лёд, где его используют и в домашних условиях провести опыты с сухим льдом – достигнута.

Список использованных источников и литературы

Вукалович М.П., Алтунин В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода, – М., 1965.

Геккер. И. Научные эксперименты дома, – 2011.

Перельман  Я.И. Занимательная физика. Книга 1. – 1992.

Тезиков А.Д. Производство и применение сухого льда. – М., 1960.

Интересные факты про сухой лёд. URL: https://i-fakt.ru/interesnye-fakty-pro-suxoj-led (дата обращения: 27.10.2018).

Сухой лёд. Задумка. URL: http://www.zadumka.org/suxoj-led (дата обращения: 27.10.2018).

Сухой лёд. Описание, вред и противопоказания. URL: http://vkusnoblog.net/products/suhoy-led (дата обращения: 27.10.2018).

Сухой лёд: предназначение, добыча, варианты использования. URL: https://tutknow.ru/family_and_children/5698-kak-samomu-sdelat-suhoy-led-v-domashnih-usloviyah.html (дата обращения: 27.10.2018).