Сухой лед

Муниципальное общеобразовательное учреждение города Новосибирска

 «Средняя общеобразовательная

школа № 211 имени Леонида Ивановича Сидоренко»

Школьная открытая научно-практическая конференция

Секция: естественно-научная

Тема: «СУХОЙ ЛЕД»

Автор:

Зайкова Елизавета,

6в кл., МАОУ СОШ № 211

им. Л.И.Сидоренко

Калининского района г. Новосибирска

Научный руководитель:

Дудник Светлана Евгеньевна,

учитель химии высшей

квалификационной категории

конт. тел. 8-905-095-0022

Новосибирск 2018

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………………3

1. Теоретическая часть исследования. Обзор литературы………………………………5

1. Определение и свойства «сухого льда»
2. История изобретения
3. Производство «сухого льда»
4. Применение «сухого льда»
5. Кристаллическая решетка «сухого льда»

2. Практическая часть исследования……………………………………………………..9

2.1. Изготовление кристаллической решетки «сухого льда»

2.2. Сравнение кристаллических решеток «сухого льда» и воды.

Выводы……………………………………………………………………………………..11

Использованная литература и  Интернет-источники……………………………………12

Введение

Актуальность темы исследования. Посмотрев видео-эксперименты с «сухим льдом», у нас сразу возникло множество вопросов:  

• почему это вещество называют льдом?
• почему этот лед называется «сухим»?
• чем «сухой лед» отличается от обычного льда и какие сходства имеют эти вещества?
•  какими свойствами обладает и где еще его можно использовать?

Как известно вода имеет три состояния и одним из них является обычный лед, получить который даже в домашних условиях не составляет труда. Достаточно остудить воду до температуры, близкой к 0⁰С, предварительно взяв любую формочку. В то же время, далеко не каждому известно, что лед может быть представлен в различных формах. Наиболее популярен в настоящее время «сухой лед», так как главным его преимуществом перед обычным льдом является выделение колоссального количества холода. Это и многие другие свойства «сухого льда» массово используются в различных отраслях и в быту, что подтверждает актуальность данного исследования.

Предмет исследования: «сухой лёд».

Гипотеза: «сухой лед» имеет сходство с твердым состоянием воды - льдом в строении и свойствах.

Цель исследования – изучить и экспериментально продемонстрировать строение кристаллической решетки «сухого льда».

Задачи исследования:

1. Изучить литературу о «сухом льде» и его свойствах;

2. Узнать о строении кристаллической решетки «сухого льда» и воды.

3. Изготовить модели кристаллических решеток «сухого льда» и воды.

4. Выявить сходства и отличия «сухого льда» от обычного льда;

Практическое применение: Полученные результаты могут быть использованы на уроках по физике и химии при изучении свойств веществ (твердое, газообразное, жидкое).

Положения, выносимые на защиту:

1. «Сухой лед» - это углекислый газ в твердом состоянии, обладающий уникальными свойствами;

2. «Сухой лед» - широко используемое вещество, как в промышленности, так и в повседневной жизни;

3. «Сухой лед» и обычный лед – это различные вещества, но имеющие некоторые сходства.

В работе использовались следующие методы:

1. Сбора информации;

2. Анализа и статистической обработки собранной информации;

3. Моделирования;

4. Сравнения и обобщения полученных результатов.

Данная научно-исследовательская работа нацеливает исследователя к самостоятельности, формирует интерес к научной деятельности, умению работать с дополнительной литературой, развивает исследовательские навыки, позволяет мыслить, рассуждать, делать выводы.

1. Обзор литературы

1.1. Определение и свойства «сухого льда»

«Сухой лед» — это углекислый газ в твердом состоянии, он именуется также диоксидом углерода. Формула вещества – CO2. Это стерильное, твердое, не токсичное, очень холодное вещество белого цвета без запаха и вкуса. Он не горит и не проводит ток. По внешнему виду «сухой лед» напоминает обыкновенный лёд. Свое название он получил за главную физическую особенность: под влиянием высокой температуры «сухой лед» минуя жидкое состояние, сразу превращается в газ – это называется сублимацией. Холодящее действие «сухого льда» гораздо сильнее, чем у льда обыкновенного. Один килограмм «сухого льда» может заменить 15 килограмм льда из воды, а испаряется он в 5 раз медленнее, чем тает обыкновенный лед. Температура замерзания «сухого льда» -79˚С, молекулярный вес 44,01, плотность 1560 кг/м³. Он в полтора раза тяжелее воздуха и воды, хорошо растворяется в жидкостях.

1.2. История изобретения

Впервые «сухой лед» изобрел во Франции химик Адриен-Жан-Пьер Тилори в 1834 году. В своих экспериментах ученый заметил, что при открытии крышки сосуда с жидкой углекислотой, она быстро испарялась, а в сосуде оставалось вещество, похожее на снег – это был углекислый газ в твердом состоянии. В 1835 году он опубликовал первый отчет о данном веществе. В промышленности «сухой лед» начали использовать только спустя 50 лет для производства газированных напитков. В 1924 году, Томас Слейт получил первый патент на продажу «сухого льда» в США, и стал первым, кто превратил производство «сухого льда» в целую индустрию. В 1925 году этот продукт был зарегистрирован под торговой маркой «Dry ice» (в переводе с английского «сухой лед») компанией «Dry Ice Corporation of America». В этом же году компания начала продавать «сухой лед», продвигая его как отличное средство для заморозки и охлаждения. В 1940 году научились производить жидкий углекислый газ.

Совсем недавно на Марсе были обнаружены плотные облака из «сухого льда, которые создают тень на планете. Обнаружена и первая марсианская река из «сухого льда». В ходе анализа данных, полученных автоматическими космическими станциями, было выявлено, что марсианской весной потоки несутся по каньонам, заполненным льдом и снегом из углекислого газа при температуре -130 ˚С. Вода не может течь в таких условиях, так что, скорее всего, в марсианских каньонах течет «сухой лед». Это значимое открытие может развеять все иллюзии относительно наличия жизни на Марсе. Ведь без воды в жидком состоянии жизни быть не может!

1.3. Производство «сухого льда»

Промышленный способ получения «сухого льда» был разработан в 1923 году. Производится «сухой лед» на огромных углекислых установках из газообразного или жидкого углекислого газа. При резком снижении давления из углекислого газа образуется рыхлый снег. Затем этот снег прессуется под давлением 30-50 атмосфер и получается «сухой лед». Современные установки выпускают «сухой лед» в виде крошки, гранул и брикетов.

1.4. Применение «сухого льда»

«Сухой лед» пользуется большой популярностью в медицине. Его используют используют при транспортировке донорской крови, трансплантатов, а также медицинских препаратов. Кроме того, «сухой лед» иногда используется для удаления бородавок, папиллом, сухих мозолей, а также в сфере ритуальных услуг.

В настоящее время широкое распространение получила очистка поверхностей «сухим льдом» (криогенный бластинг). При помощи «сухого льда» загрязнения мгновенно охлаждаются до -79°C, становятся хрупкими и легко удаляются. Данный метод не имеет аналогов, поскольку во время чистки не остается никаких следов и отходов. В Новосибирском электровозоремонтном заводе недавно была внедрена первая в России установка гранулированной очистки льдом «УГОЛ-1». Очистка «сухим льдом» справляется со всеми типами загрязнений, которые только могут встречаться в салоне автомобиля. Поскольку в автомобиле находится большое количество электроники, то использование любой жидкости может привести к короткому замыканию и поломке дорогостоящего устройства. В связи с тем, что гранулы «сухого льда» в процессе сублимации сразу же переходят в газообразное состояние, минуя жидкое, нет опасности короткого замыкания, и необходимости последующей сушки.

Свойство «сухого льда» выделять за короткое время большое количество холода применяется на сборочных производствах для соединения или разбора плотно соединенных друг с другом деталей. Металлы в процессе охлаждения сжимаются, в результате уменьшается размер изготовленной из них детали, что дает возможность установить ее на нужное место. По мере нагревания деталь снова расширяется, обеспечивая тем самым высокую надежность соединения.

В химической промышленности «сухой лед» выполняет функцию ингибитора, то есть вещества, замедляющего протекание некоторых химических реакций. С помощью «сухого льда» охлаждают компьютерные процессоры.

По специальной технологии углекислый газ можно сжимать и наполнить им 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.

Часто подробленный «сухой лед» применяют для борьбы с грызунами на производстве, где нельзя использовать химические порошки. «Сухой лед» используют для устранения насекомых в закрытых контейнерах, где хранятся зерновые продукты.

«Сухой лед» замедляет рост дрожжевых бактерий, что нашло широкое применение в хлебопекарной промышленности.

«Сухим льдом» удобряют почву, способствуя увеличению урожая.

Гранулы «сухого льда» используются в пищевой промышленности для охлаждения пищевых продуктов при их транспортировке и хранении. Например, «сухой лед» в самолетах попросту незаменим, так как позволяет охлаждать продукты питания. Часто его используют в уличных передвижных ларьках с мороженым. «Сухой лед» имеет замораживающую способность, многократно превышающую замораживающую способность водяного льда, это свойство используется для заморозки мясной, рыбной и плодово-ягодной продукции. Поскольку процесс происходит очень быстро, то в продуктах сохраняется больше полезных веществ, и сохраняется их внутренняя структура.

«Сухой лед» обозначается кодом Е290 и используется как консервант в пищевой промышленности. Он продлевает срок годности продуктов питания. С помощью CO2 газируют напитки: шампанское, лимонад, минеральную воду и т.д. Это вещество охотно закупают такие крупные компании, как «Кока-Кола».

«Сухой лед» способен исправить вмятины на капоте автомобиля.

В научно-исследовательских работах «сухой лед» применяется для получения низких температур (-79°С). Учёные из университета Флоренции на основе «сухого льда» открыли сверхпрочное стекло для защиты электронных устройств. С помощью «сухого льда» можно даже менять погоду. Если при ясном небе быстро сбросить «сухой лед» в восходящие потоки воздуха, то через некоторое время появятся облака.

В сфере развлечений «сухой лед» используется для образования безвредного сценического дыма при проведении концертов, спектаклей, фотосессий. Его можно получить, поместив вещество в специальную дымовую машину (генератор тумана). В состав этого генератора входят емкость с сухим льдом и емкость с подогреваемой водой. При быстром нагревании «сухого льда» его испарения создают плотный туман, который охлаждает окружающий воздух. На основе «сухого льда» создается большое количество коктейлей, которые отличаются оригинальной подачей.

1.5. Кристаллическая решетка «сухого льда»

Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, которым свойственно иметь жидкую или газообразную форму при комнатной температуре; в частности, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.

Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку. Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

В зависимости от частиц кристаллической решетки существуют:

• Ионная кристаллическая решетка.
• Атомная кристаллическая решетка.
• Молекулярная кристаллическая решетка.
• Металлическая кристаллическая решетка.

Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки. В этих узлах они удерживаются такими вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия.

У «сухого льда» кубическая молекулярная кристаллическая решетка. В узлах таких кристаллических решеток расположены молекулы СО2 (углекислый газ).

Молекулярная кристаллическая структура твердого состояния воды – шестиугольники, в узлах которых находятся молекулы воды (Н2О).

2. Практическая часть исследования

2.1. Изготовление кристаллической решетки «сухого льда»

Изучив в литературных источниках информацию о строении «сухого льда» и кристаллической воды, мы смоделировали кристаллические решетки веществ.

Молекулярная формула «сухого льда» - СО2 (диоксид углерода, углекислый газ).

Условные обозначения: Углерод – черный

                                          Кислород – красный

Кристаллическая решетка «сухого льда»: молекулярная кубическая объемно-центрированная.

2.2. Сравнение кристаллических решеток и свойств «сухого льда» и воды.

Проведя сравнение  кристаллического состояния «сухого льда» и воды, результаты оформили в таблице.

Таким образом,  «Сухой лед» по своему внешнему облику очень похож на обычный лед (отсюда и название). Они оба не имеют запаха и вкуса. Однако это принципиально разные вещества с разными свойствами.

«Сухой лед» - это углекислый газ в твердом состоянии, а обычный лед – это вода в твердом состоянии. В этом я убедилась, посмотрев следующий эксперимент в Интернете: на одной салфетке - кусочек «сухого льда», а на другой – обычный. Салфетка под обычным льдом стала мокнуть, поскольку лед тает с образованием воды. «Сухой лед» стал покрываться паром, и салфетка под ним не намокла, потому что «сухой лед» не тает, а испаряется, сразу переходя в углекислый газ (сублимация). Испаряется «сухой лед» в 5 раз медленнее, чем тает обыкновенный лед.

По внешнему виду они тоже отличаются: «сухой лед» белого цвета, а обычный лед – прозрачный.

Плотность этих веществ различна: обычный лед легче воды, а «сухой лед» - тяжелее воды. Я взяла два стакана, налила в них воды. В первый стакан я бросила кусочек «сухого льда», а во второй – обычного льда. «Сухой лед» утонул, поскольку его плотность больше, чем плотность воды, а обычный лед всплыл на поверхность воды, так как его плотность меньше, чем плотность воды.

Обычный лед поддерживает горение, так как оно происходит с помощью кислорода, который входит в состав молекулы воды. В этом можно легко убедиться, если поместить обычный лед в емкость и зажечь в ней, например, свечу, то она будет продолжать гореть. А вот «сухой лед» не горюч, поэтому в емкости с ним пламя свечи моментально погаснет. Это объясняется тем, что «сухой лед» состоит из углекислого газа, который не поддерживает горение.

Температура замерзания обычного льда 0 ˚С, а «сухого льда» -79 ˚С, поэтому обычный лед можно держать в руках длительное время, а вот с «сухим льдом» нужно работать в перчатках, чтобы не получить обморожение пальцев. Холодящее действие «сухого льда» гораздо сильнее, чем у льда обыкновенного, ведь один килограмм «сухого льда» может заменить пятнадцать килограммов льда из воды. Таким образом, «сухой лед» и обычный лед – это совершенно разные вещества с различными свойствами.

Заключение

Предметом нашего исследования был «сухой лед». В данной работе мы изучили его свойства, структуру, технологию изготовления, области применения, выявили сходства и отличия от обычного льда.

Отрасли, в которых используется «сухой лед» обширнее и разнообразнее, чем кажется на первый взгляд. Хозяйкам он необходим на кухне, артистам – на сцене, инженерам – на предприятиях, врачам – в клиниках и т.д. С каждым годом возникает все больше областей для применения «сухого льда», и в перспективе перечень его использования будет только возрастать.

В результате исследования подтвердилась гипотеза о том, что «сухой лед» имеет сходство с твердым состоянием воды - льдом в строении и свойствах.

Получены новые знания о свойствах «сухого льда». Выявлены принципиальные отличия между «сухим» и обычным льдом, которые обусловлены различным строением и свойствами этих веществ.

Результатом исследования стала модель кристаллической решетки «сухого льда», которая в дальнейшем может быть использована на уроках физики и химии в изучении школьного материала.

Использованная литература и Интеренет-источники

1. Гибадулин В., Краснова М. "Большая иллюстрированная энциклопедия школьника. Издательство: Махаон, 2014 г.
2. https://tutknow.ru/family_and_children/5698-kak-samomu-sdelat-suhoy-led-v-domashnih-usloviyah.html
3. https://suhoy-led.ru/dlya-chego-nuzhen-suhoj-lyod
4. http://sd-dry-ice.ru/p/q-075.php
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%91%D0%B4