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ドライアイスは二酸化炭素の固体です。二酸化炭素は常圧下では液体状態を持たず、固体から直接気体へと昇華するため、一時的な冷却によく用いられます。主に 冷却剤として使用されますが、劇場ではフォグマシンで演出効果にも利用されます。ドライアイスの利点としては、水氷よりも低温で、残留物が残らないこと（大気中の水分による偶発的な霜を除く）が挙げられます。機械的な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）の保存に役立ちます。
ドライアイスは、地球の大気圧下で194.7 K（-78.5 °C、-109.2 °F）で昇華します。この極低温のため、凍傷を防ぐ保護具なしでドライアイスを取り扱うのは危険です。二酸化炭素は通常の大気濃度では毒性はありませんが、ドライアイスは換気の悪い空間では危険な二酸化炭素濃度を生み出す可能性があります。ドライアイスからのガス放出は、密閉された空間に蓄積することで高炭酸ガス血症（血液中の二酸化炭素濃度が異常に上昇する状態）を引き起こすことがあります。
ドライアイスは二酸化炭素（CO₂ ）の固体形態であり、二酸化炭素は1つの炭素原子と2つの酸素原子が結合した分子です。ドライアイスは無色無臭で不燃性であり、水に溶かすと溶液のpHを下げ、炭酸（H₂CO₃ ）を生成します。[ 1 ]
5.13 atm未満の圧力と−56.4 °C (216.8 K; −69.5 °F) (三重点) 未満の温度では、CO 2 は昇華と呼ばれるプロセスを経て、液体を経ずに固体から気体に変化します。[ a ]反対のプロセスは析出と呼ばれ、CO 2は気体から固体(ドライアイス)に変化します。大気圧では、昇華/析出は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)未満では約1.55 ～ 1.7 g/cm 3 (97 ～ 106 lb/cu ft)の範囲になります。[ 3 ]低温で直接気体に昇華するため、ドライアイスは効果的な冷却剤となります。これは、ドライアイスが水氷よりも低温で、状態変化時に残留物を残さないためです。[ 4 ]昇華エンタルピーは571 kJ/kg (25.2 kJ/mol、136.5 cal/g) です。
ドライアイスは非極性で、双極子モーメントはゼロなので、分子間ファンデルワールス引力が働く。[ 5 ]この組成により、熱伝導率と電気伝導率が低くなる。[ 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）によって初めて観察され、彼がこの物質に関する最初の報告を発表したことが一般的に認められています。[ 7 ] [ 8 ]彼の実験では、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し、容器には固体のドライアイスだけが残ることに気付きました。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の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、この固体の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、これが一般的な名称となりました。[ 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、二酸化炭素を圧縮して冷却することによって工業的に製造されます。[ 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、二酸化炭素を高濃度に含むガスから始まります。このようなガスは、窒素や天然ガスからアンモニアを製造するプロセス、石油精製活動、大規模発酵などの他のプロセスの副産物である可能性があります。[ 12 ]二酸化炭素を多く含むガスは、加圧され、液化するまで冷却されます。次に、圧力が下げられます。このとき、液体の二酸化炭素の一部が蒸発し、残りの液体の温度が急速に低下します。その結果、極度の低温により液体が雪のような状態に固まります。最後に、雪のような固体の二酸化炭素が圧縮されて、小さなペレットまたは大きなドライアイスの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インチまたは5/8インチ[13 または 16 mm] ) 円筒形のペレット、そして非常に小さな (直径1/8インチ[3.2 mm] ) 円筒形で表面積対体積比が高く、曲率半径が大きいため油や水に浮き、皮膚に付着しないペレットです。小さな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、油の固化に使用され、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による実験にも安全であることがわかっています。テープで巻かれた紙の包装で覆われた、重さ約30 kg (66ポンド) の標準ブロックが最も一般的です。これらは表面積対体積比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。ペレットは直径約1 cm (0.4インチ)で、簡単に袋詰めできます。この形態は小規模な使用に適しており、例えば食料品店や研究所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成されます。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を製造する産業です。このプロセスでは、二酸化炭素は窒素や酸素を液化するのに必要な温度よりもはるかに高い温度で液化または凍結します。ドライアイスが装置を汚染するのを防ぐため、このプロセス中に二酸化炭素を除去する必要があり、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されます。
ドライアイスの最も一般的な用途は、非循環式冷凍を使用して食品を保存することです。[ 1 ]
これは、機械的な冷却手段が利用できない場合や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、低温または冷凍状態を維持する必要のある物品を包装するためによく使用されます。
ドライアイスは、ワクチン、生物学的サンプル、温度に敏感な医療製品など、サプライチェーン全体にわたって超低温での保管が必要な医薬品の輸送を含む医薬品コールドチェーン物流で広く使用されています。 [ 17 ] [ 18 ]
ドライアイスは、食品[ 19 ]や実験室の生物学的サンプル[ 20 ]を急速冷凍したり、飲料を炭酸化したり[ 19 ]、アイスクリームを作ったり[ 21 ] 、油流出を固化させたり[ 22 ]、氷の彫刻や氷の壁が溶けるのを止めたりするのに使用できます。
ドライアイスは、酸素を遮断することで穀物や穀物製品の密閉容器内の虫の活動を抑制・防止するのに使用できますが、食品の味や品質には影響を与えません。同様の理由で、食用油や脂肪の酸化を防いだり遅らせたりすることもできます。
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が発生します。これは、フォグマシン、劇場、お化け屋敷、ナイトクラブなどで劇的な効果のために使用されています。ほとんどの人工フォグマシンでは霧が煙のように上昇しますが、ドライアイスの霧は地面近くに漂います。[ 14 ]ドライアイスは、濃い霧の効果が必要な劇場公演で役立ちます。[ 23 ]霧は、一般的に考えられているように大気中の水蒸気からではなく、ドライアイスが入れられた大量の水から発生します。[ 24 ]
ドライアイスは、イボを凍らせて除去するために時折使用されます。[ 25 ]しかし、液体窒素の方が低温であるため作用時間が短く、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。[ 26 ]ドライアイスは圧縮二酸化炭素ガスから必要に応じて生成できるため、保管に関する問題が少ないです。[ 26 ]
配管工事では、水道本管を止めずに修理ができるように、パイプへの水の流れを遮断するためにドライアイスが使用されます。加圧された液体CO2がパイプに巻き付けられたジャケットに送り込まれ、内部の水が凍結してパイプを塞ぎます。修理が完了したらジャケットを取り外し、氷の栓が溶けて水の流れが再開します。この技術は、直径4 インチまたは100mmまでのパイプに使用できます。 [ 27 ]
ドライアイスは、二酸化炭素に引き寄せられるため、蚊、トコジラミ、その他の昆虫を捕獲するための餌として使用できます。 [ 28 ]
これはげっ歯類の駆除に使用できます。地面にあるげっ歯類のトンネルにペレットを落とし、入り口を塞ぐことで、ドライアイスが昇華する際に動物を窒息死させます。[ 29 ]
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窒息させることで消火に使用できます。[ 30 ]
ドライアイスの極端な低温は、粘弾性材料をガラス相に変化させる。そのため、多くの種類の感圧接着剤を除去するのに有効である。
ドライアイスは、アスファルト床タイルや車の防音材を緩めて簡単に剥がせるようにしたり[ 31 ]、バルブのないパイプ内の水を凍らせて修理できるようにしたりするのに使用できます[ 32 ] 。
ドライアイスの最大の機械的用途の 1 つは、ブラスト洗浄です。ドライアイスのペレットは圧縮空気とともにノズルから噴射され、ペレットの速度の力と昇華の作用が組み合わされます。これにより、工業機器から残留物を取り除くことができます。除去される物質の例としては、インク、接着剤、油、塗料、型、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、蒸気ブラスト、水ブラスト、溶剤ブラストの代替として使用できます。ドライアイスブラストの主な環境残留物は昇華した CO 2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有用な技術となります。[ 33 ]最近では、火災後の構造物から煙による損傷を除去する方法としてブラスト洗浄が導入されています。
ドライアイスは、貯蔵タンクから可燃性蒸気を脱気するのにも役立ちます。空にして通気したタンク内でドライアイスのペレットが昇華すると、可燃性蒸気を運ぶCO2が噴出します。 [ 34 ]
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、その結果生じる圧入によってしっかりと固定されます。同様の手順は、ピン、キー、または溶接の必要性をなくし、高い強度を持つ機械アセンブリの製造にも使用できます。[ 35 ]
ドライアイスは、建設現場で土壌を凍結するために利用されており、液体窒素の有効な代替手段として機能している。[ 36 ]この方法は土壌温度を約-70～-74℃まで下げ、地下水を急速に凍結させる。その結果、土壌の強度と不透水性が大幅に向上し、[ 37 ]これは地下建設プロジェクトを安全に実施するために不可欠である。[ 38 ]
切削油としても有用です。
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ある。[ 39 ]ドライアイスとアセトンは-78 ℃（-108 °F、195K ）の冷浴を形成し、これは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る。
雲の降水量を変化させるプロセスは、ドライアイスを使用して行うことができます。[ 40 ]ドライアイスは、ヨウ化銀に取って代わられる前は、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。[ 40 ]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。[ 40 ]主な欠点は、種をまく雲の過冷却領域に直接投入する必要があることです。[ 40 ]
「ドライアイス爆弾」とは、プラスチックボトルなどの密閉容器にドライアイスを入れた風船状の装置です。通常、ドライアイスの昇華を促進するために水が加えられます。ドライアイスが昇華するにつれて圧力が上昇し、ボトルが大きな音を立てて破裂します。ねじ込み式のキャップをゴム栓に交換すれば、水ロケットを作ることもできます。
ドライアイス爆弾装置は、 2006年8月9日に初放送された「MythBusters」のエピソード57 「メントスとソーダ」で取り上げられた。 [ 41 ]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号探査機が火星をフライバイした後、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。[ 42 ]しかし、2003年にカリフォルニア工科大学の研究者によって行われた調査では、火星の極冠はほぼ完全に水氷でできており、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。[ 42 ] [ 43 ]ドライアイスストームと呼ばれる現象が火星の極域で発生すると提唱されました。これは地球の雷雨に似ており、雲の中の水の代わりに結晶化したCO2が存在します。[ 44 ]ドライアイスは火星の間欠泉のメカニズムとしても提唱されています。[ 45 ]
2012年、欧州宇宙機関の金星探査機ビーナス・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温度の低温層を検出した。そのため、ドライアイスの薄片が降下する可能性がある。[ 46 ]
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[ 47 ]、ウンブリエル[ 47 ]、ティタニア[ 47 ]の表面にドライアイスが存在することが示されています。科学者たちは、天王星の磁場が衛星の表面にCO2氷を生成するのに寄与していると推測しています。[ 48 ]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ましたが、その後の観測では、表面の炭素氷は一酸化炭素であるものの、衛星の地殻はかなりの量のドライアイスで構成されていることが示されています。[ 49 ]
ドライアイスに長時間さらされると凍傷によって重度の皮膚損傷を引き起こす可能性があり、発生した霧によって安全な方法で接触から離脱しようとする試みも妨げられる可能性があります。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性があるため、換気の良い環境でのみ屋外にさらすべきです。[ 31 ]このため、実験室の安全の観点から、ドライアイスにはラベルの注意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、食品と直接接触すると安全でない汚染物質が含まれている可能性があります。[ 51 ]ドライアイスブラスト洗浄で使用される小さなドライアイスペレットには、油性の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ます。[ 52 ]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、米国運輸省でも陸上輸送用の危険物として分類されていません。[ 53 ] [ 52 ]しかし、米国では、航空または水上輸送の場合、危険物として規制されています。国際航空運送協会（IATA）の規則では、パッケージに特定のひし形の白黒ラベルを貼付することが義務付けられています。パッケージには、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、十分な換気が必要です。[ 52 ]米国の連邦航空局は、生鮮食品の冷蔵に使用する場合、航空旅客が1人あたり最大2.5kg （ 5.5ポンド）までを預け入れ手荷物または機内持ち込み手荷物として持ち込むことを許可しています。[ 54 ]
少なくとも1人は、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死亡した。[ 55 ] 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棄され、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付近に留まることがある。[ 56 ]
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。あるバーの客が飲み物から誤ってドライアイスの粒を飲み込んだところ、食道、胃、十二指腸に重度の火傷を負い、永久的な摂食障害を負いました。[ 57 ] [ 58 ]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可能性があります。ドライアイスを含み、誤って飲み込むことを防ぐ製品は、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。[ 59 ]
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