ドライアイス

ドライアイスは、俗に言う二酸化炭素の固体形態を指します。CO2_は常圧では液体状態 を持たず、固体状態から気体状態に直接昇華するため、一時的な冷蔵によく使用されます。主に冷却剤として使用されますが、劇場のスモークマシンで劇的な効果を出すためにも使用されます。ドライアイスの利点は、水氷よりも温度が低く、残留物が残らないことです (大気中の水分による偶発的な霜を除く)。機械による冷却が利用できない場所で冷凍食品(アイスクリームなど)を保存するのに便利です。

ドライアイスは、地球の大気圧下では 194.7 K (-78.5 °C、-109.2 °F) で昇華します。この極度の低温のため、凍傷の予防措置を講じずに固体を扱うのは危険です。一般的にはそれほど毒性はありませんが、密閉された場所で蓄積されると、放出されるガスによって高炭酸ガス血症(血液中の二酸化炭素濃度が異常に上昇する状態)を引き起こす可能性があります。

ドライアイスは二酸化炭素（CO2 _）の固体であり、2つの酸素原子に結合した1つの炭素原子_からなる分子です。ドライアイスは無色、無臭、不燃性で、水に溶けると溶液のpHを下げ、炭酸（H2CO3 _）を形成します。^[1]

5.13 atm未満の圧力および-56.4 °C (216.8 K; -69.5 °F) (三重点)未満の温度では、CO2_は昇華と呼ばれるプロセスを経て、液体を介さずに固体から気体に変化します。^{[a]反対のプロセスは}沈着と呼ばれ、CO2_は気体から固体相（ドライアイス）に変化します。大気圧では、昇華/沈着は194.7 K (-78.5 °C; -109.2 °F)で起こります。^[2]

ドライアイスの密度は温度の低下とともに増加し、195 K (-78 °C、-109 °F) 以下では約 1.55 ～ 1.7 g/cm ^{3 (97 ～ 106 lb/cu ft) の範囲になります。 [3]}低温で直接昇華して気体になるため、ドライアイスは水氷よりも冷たく、状態変化しても残留物が残らないため、効果的な冷却剤となります。 ^[4]昇華エンタルピーは571 kJ/kg (25.2 kJ/mol、136.5 カロリー/g) です。

ドライアイスは無極性で、双極子モーメントはゼロなので、分子間のファン デルワールス力が働きます。^[5]この組成により、熱伝導率と電気伝導率が低くなります。^[6]

ドライアイスは、1835年にフランスの発明家アドリアン・ジャン・ピエール・ティロリエ（1790–1844）によって初めて発見され、この物質に関する最初の論文を発表したと一般に認められています。 ^{[7] [8]彼は実験で、}液体二酸化炭素が入った大きなシリンダーの蓋を開けると、液体二酸化炭素のほとんどがすぐに蒸発することに気づきました。これにより、容器には固体のドライアイスだけが残りました。1924年、トーマス・B・スレートはドライアイスを商業的に販売するために米国特許を申請しました。その後、彼はドライアイスを産業として成功させた最初の人物となりました。^[9] 1925年、この固体CO2は、_ドライアイス・コーポレーション・オブ・アメリカによって「ドライアイス」として商標登録され、これが一般名につながりました。^[10]同年、ドライアイス社は初めてこの物質を商業的に販売し、冷蔵目的で販売しました。^[9]

ドライアイスは簡単に製造できます。^{[11] [12]}ドライアイスを製造する最も一般的な工業的方法は、高濃度の二酸化炭素を含むガスから始まります。このようなガスは、窒素と天然ガスからのアンモニアの生産、石油精製活動、大規模発酵などの別のプロセスの副産物である可能性があります。^[12]次に、二酸化炭素を多く含むガスを加圧し、液化するまで冷却します。次に、圧力を下げます。これが起こると、一部の液体二酸化炭素が蒸発し、残りの液体の温度が急速に低下します。その結果、極寒により液体が雪のような粘稠度に固まります。最後に、雪のような固体二酸化炭素が圧縮されて、ドライアイスの小さなペレットまたは大きなブロックになります。^{[13] [14]}

ドライアイスは、通常、3つの標準的な形状で製造されます。大きなブロック、小さな（直径1 ⁄ 2または5 ⁄ 8インチ [13または16 mm]）円筒形のペレット、および極小（直径1 ⁄ 8インチ[3.2 mm]）円筒形で表面積対容積の大きいペレットは、曲率半径が大きいため油や水に浮き、皮膚に張り付きません。極小ドライアイスペレットは、主にドライアイスブラスト、急速冷凍、消火、油の凝固に使用され、手袋や安全メガネなどの適切な個人用保護具を着用した中学生が実験しても安全であることが確認されています。重さ約30 kg（66ポンド）^[要出典]の標準的なブロックがテープで巻かれた包装紙で覆われているのが最も一般的です。表面積対容積の比率が低いため昇華が比較的遅いため、輸送によく使用されます。ペレットの直径は約1 cm（0.4インチ）で、簡単に袋詰めできます。この形状は小規模な使用に適しており、例えば食料品店や研究室では厚く断熱された箱に保管されます。^[15]ペレットの密度はブロックの密度の60～70%です。^[16]

ドライアイスは、極低温空気分離の副産物としても生産されます。極低温空気分離は、主に液体窒素や液体酸素などの極低温液体の製造を目的とした産業です。このプロセスでは、窒素や酸素を液化するために必要な温度よりもはるかに高い温度で二酸化炭素が液化または凍結します。ドライアイスが機器を汚染するのを防ぐために、プロセス中に二酸化炭素を除去する必要があります。分離された二酸化炭素は、上記と同様の方法で商業用ドライアイスに加工できます。

ドライアイスの最も一般的な用途は、非循環冷凍を使用して食品を保存することです^[1]。

機械的な冷却が利用できない、または実用的でない場合に、アイスクリームや生物学的サンプルなど、冷蔵または冷凍状態を維持する必要があるアイテムをパッケージ化するためによく使用されます。

ドライアイスは、供給ラインに沿って超低温で保管する必要があるワクチンの配備に不可欠です。^[17]

ドライアイスは、食品^[18]や実験室の生物学的サンプル^[19]を急速冷凍したり、飲料を炭酸化したり、^[18]アイスクリームを作ったり、^[20]油流出を固めたり^[21]、氷の彫刻や氷の壁が溶けるのを防いだりするために使用することができます。

ドライアイスは酸素を置換しますが、食品の味や品質は変えないので、穀物や穀物製品の密閉容器内での昆虫の活動を阻止および防止するために使用できます。同じ理由で、食品の油や脂肪の腐敗を防止または遅らせることができます。

ドライアイスを水に入れると昇華が促進され、低く沈む濃い煙のような霧の雲が作られる。これは、劇場、お化け屋敷、ナイトクラブなどのスモークマシンで劇的な効果を演出するために使用されている。煙のように霧が上がるほとんどの人工スモークマシンとは異なり、ドライアイスの霧は地面近くに漂う。^[14]ドライアイスは濃い霧の効果が必要な劇場制作に有用である。^[22]霧はドライアイスを入れたバルクの水から発生するものであり、（一般に考えられているように）大気中の水蒸気から発生するものではない。^[23]

イボを凍らせて除去するために時々使用されます。^[24]しかし、液体窒素はより低温であるため作用にかかる時間が短く、保管に必要な圧力も少ないため、この役割にはより適しています。^[25]ドライアイスは必要に応じて圧縮二酸化炭素ガスから生成できるため、保管上の問題が少なくなります。^[25]

配管工事では、水道本管を止めずに修理ができるよう、ドライアイスを使ってパイプへの水の流れを遮断する。加圧された液体二酸化炭素_をパイプに巻かれたジャケットに押し込むと、内部の水が凍ってパイプが塞がれる。修理が終わったらジャケットを取り外し、氷栓を溶かして水の流れを再開する。この技術は、直径4インチ（100 mm）までのパイプに使用できる。^[26]

ドライアイスは二酸化炭素に引き寄せられる蚊やトコジラミなどの昆虫を捕獲するための餌として使用することができます。 ^[27]

げっ歯類の駆除にも使えます。これは、地面に掘ったげっ歯類のトンネルにペレットを落とし、入り口を密閉することで、ドライアイスが昇華して動物を窒息させるというものです。^[28]

小さなドライアイスの粒は、燃料を冷却し、酸素を遮断して火を消すことで消火に使用することができます。^[29]

ドライアイスの極度の温度は粘弾性材料をガラス相に変化させるので、多くの種類の感圧接着剤を除去するのに役立ちます。

ドライアイスは、アスファルトの床タイルや車の防音材を緩めて剥がしやすくしたり、^[30]バルブのないパイプ内の水を凍らせて修理したりするために使用できます。^[31]

ドライアイスの最も大きな機械的用途の1つは、ブラスト洗浄です。ドライアイスのペレットは、ペレットの速度の力と昇華作用を組み合わせて、圧縮空気とともにノズルから噴射されます。これにより、産業機器から残留物を取り除くことができます。除去される材料の例には、インク、接着剤、油、塗料、カビ、ゴムなどがあります。ドライアイスブラストは、サンドブラスト、スチームブラスト、ウォーターブラスト、または溶剤ブラストの代わりに使用できます。ドライアイスブラストの主な環境残留物は昇華したCO2である_ため、他のブラスト技術による残留物が望ましくない場合に便利な技術です。^[32]最近、ブラスト洗浄は、火災後の構造物の煙による損傷を除去する方法として導入されています。

ドライアイスは貯蔵タンクから可燃性蒸気を脱ガスするのにも役立ちます。空になって通気されたタンク内でドライアイスペレットが昇華すると、可燃性蒸気を運ぶCO2が急増します。_[ ^33]

大型エンジンのシリンダーライナーの取り外しと取り付けには、ドライアイスを使用してライナーを冷却して収縮させ、エンジンブロックに自由に滑り込ませる必要があります。その後、ライナーが温まると膨張し、その結果生じる干渉嵌合によってライナーが所定の位置にしっかりと固定されます。同様の手順を使用して、ピン、キー、溶接を必要とせずに、高い強度を持つ機械アセンブリを製造することができます。^[34]

ドライアイスは、土壌を凍結させるために建設現場で利用されており、液体窒素の効果的な代替手段として機能しています。^[35]この方法は、土壌温度を約-70〜-74℃に下げ、地下水を急速に凍結させます。その結果、土壌の強度と不浸透性が大幅に向上し、^[36]地下建設プロジェクトの安全な実行に不可欠です。^[37]

切削液としても有用です。

実験室では、有機溶媒中のドライアイスのスラリーは、低温化学反応やロータリーエバポレーターでの溶媒の凝縮に有用な凍結混合物です。^[38]ドライアイスとアセトンは-78℃（-108℉、195K）の冷浴を形成し、例えばスワーン酸化における熱暴走を防ぐために使用できます。

雲の降水量を変えるプロセスはドライアイスを使って行うことができます。^[39]ドライアイスは1950年代から1960年代初頭にかけて米国で実験に広く使用されていましたが、その後ヨウ化銀に置き換えられました。^[39]ドライアイスの利点は、比較的安価で完全に無毒であることです。^{[39]主な欠点は、種をまく雲の}過冷却領域に直接送り込む必要があることです。^[39]

「ドライアイス爆弾」は、ペットボトルなどの密閉容器にドライアイスを入れて風船のように膨らませる装置です。ドライアイスの昇華を早めるために、通常は水を加えます。ドライアイスが昇華すると圧力が高まり、ボトルが大きな音を立てて破裂します。スクリューキャップをゴム栓に取り替えると、水ロケットになります。

ドライアイス爆弾装置は、『MythBusters』の第57話「Mentos and Soda」で紹介され、2006年8月9日に初放送された。^{[40]また、} 『Time Warp 』のエピソードや『Archer』のエピソードでも取り上げられた。

1966年にマリナー4号が火星を通過した後、科学者たちは火星の極冠は完全にドライアイスでできていると結論付けました。^{[41]しかし、}カリフォルニア工科大学の研究者が2003年に出した調査結果では、火星の極冠はほぼ完全に水の氷でできており、ドライアイスは季節によって厚くなったり薄くなったりする薄い表面層を形成するだけであることが示されました。^{[41] [42]}ドライアイス嵐と呼ばれる現象が火星の極地で発生すると提案されました。これは地球の雷雨に匹敵し、雲の中の水の代わりに結晶化した二酸化炭素が存在します。_[ ^{43]ドライアイスは}火星の間欠泉のメカニズムとしても提案されています。^[44]

2012年、欧州宇宙機関の探査機「ビーナス・エクスプレス」は、金星の大気中に二酸化炭素の三重点に近い冷たい層を検出し、ドライアイスの薄片が沈殿する可能性があると報告した。 ^[45]

ボイジャー2号による天王星フライバイの観測では、天王星の大きな衛星アリエル^[46]、ウンブリエル^[46 ] 、チタニア^[46]の表面にドライアイスが存在することが示されている。科学者は、天王星の磁場が衛星表面のCO2氷の生成に寄与していると推測している。_[ ^47]ボイジャー2号による海王星の衛星トリトンの観測では、表面にドライアイスが存在することが示唆されたが、その後の観測では表面の炭素氷は一酸化炭素であるが、衛星の地殻は相当量のドライアイスで構成されていることが示された。^[48]

ドライアイス

危険
GHSラベル: [49]
ピクトグラム
シグナルワード	警告
危険有害性情報	H280
注意事項	P403

ドライアイスに長時間さらされると、凍傷による重度の皮膚損傷を引き起こす可能性があり、発生した霧は安全な方法で接触から離れようとする試みを妨げる可能性もあります。ドライアイスは大量の二酸化炭素ガスに昇華し、高炭酸ガス血症の危険を引き起こす可能性があるため、ドライアイスは換気の良い環境でのみ屋外にさらすべきです。^[30]このため、実験室の安全性の観点から、ドライアイスにはラベルの注意事項P403「換気の良い場所に保管してください」が割り当てられています。工業用ドライアイスには汚染物質が含まれている可能性があり、食品に直接接触させるのは安全ではありません。^{[50] [検証に失敗]}ドライアイスブラスト洗浄に使用される小さなドライアイスペレットには油性残留物は含まれていません。

ドライアイスには、危険物質のコードである国連番号UN 1845が割り当てられている。^{[51]ドライアイスは、}欧州連合では危険物質として分類されておらず、米国運輸省では陸上輸送用の危険物として分類されていない。^{[52] [51]}しかし、米国では、航空輸送または水上輸送の場合、危険物として規制されている。国際航空運送協会（IATA）の規制では、パッケージに特定のダイヤモンド型の白黒ラベルを貼付することが義務付けられている。パッケージは、ドライアイスがパッケージ内で昇華し始めた場合に圧力で破裂しないように、十分な換気がなければならない。^{[51]米国の}連邦航空局は、生鮮食品を冷蔵する場合、航空会社の乗客が受託手荷物または機内持ち込み手荷物として1人あたり最大2.5 kg（5.5ポンド）を持ち込むことを許可している。 ^[53]

車内に置かれたクーラーボックス内のドライアイスから昇華した二酸化炭素ガスによって、少なくとも1人が死亡した。 [ ⁵⁴ ] 2020年には、モスクワのパーティーで25kgのドライアイスがプールに投げ込まれ、3人が死亡した。二酸化炭素は空気より重いため、水面のすぐ上の地面近くに留まる可能性がある。^[55]

• 
  ドライアイスの粒が水中で昇華し、濃い白い霧を放出する
• 
  ドライアイスのUN1845ラベル

ドライアイスはカクテルに霧の効果を与えるために使用されることがあります。あるバーの常連客は、飲み物から誤って粒を飲み込んでしまい、食道、胃、十二指腸に重度の火傷を負い、食事に永久的な障害を負いました。^{[56] [57]}急速な昇華によりガスが蓄積し、消化器官が破裂したり、窒息したりするおそれがあります。ドライアイスを含有し、誤って摂取されることを防ぐ製品は、望ましい霧の効果を生み出しながら、これらのリスクを排除します。^[58]

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