Trockeneis

Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid (nicht maßstabsgerecht), P_t ist der Tripelpunkt und P_c der kritische Punkt.

Container für Trockeneis

Trockeneis ist festes Kohlenstoffdioxid (CO₂), das unter Normalbedingungen bei −78,48 °C^[1] sublimiert, also direkt in die Gasphase übergeht, ohne vorher zu schmelzen.

Auf der Erde kommt Trockeneis nicht natürlich vor, in der CO₂-reichen Atmosphäre des Mars friert es jedoch im Winter in höheren Breiten aus und bildet die bekannten Polkappen. Auch einige Meteoroiden enthalten größere Mengen davon.

Eigenschaften

Trockeneis ist ein weißer, eisähnlicher und geruchloser Feststoff. Bei Normaldruck sublimiert Trockeneis bei −78,48 °C (194,67 K)^[1] und benötigt für diesen Phasenübergang 571,1 kJ/kg (bzw. 25,1 kJ/mol).^[2] Da der Tripelpunkt P_t von Kohlenstoffdioxid bei T_t = 216,58 K (-56,57 °C) und p_t = 5,185 bar liegt,^[3]^[4] kann Kohlenstoffdioxid erst oberhalb von 5,185 bar schmelzen. Die Dichte beträgt ungefähr 1,56 g·cm^–3 und liegt damit über der des Wassers. Der kritische Punkt P_c von Kohlenstoffdioxid liegt bei einer Temperatur von T_c = 304,13 K (30,98 °C) und einem Druck von p_c = 73,75 bar.^[5]

1 m³ Trockeneis wiegt je nach Pressdruck etwa 1500 kg, während 1 m³ gasförmiges Kohlenstoffdioxid bei 0 °C und 1013 hPa nur 1,98 kg wiegt. Das bedeutet bei der Sublimation eine Volumenänderung auf das 760-fache.

Herstellung

Trockeneis wird hergestellt, indem unter Druck verflüssigtes Kohlenstoffdioxid entspannt wird. Ein Teil des Kohlenstoffdioxids verdampft, wobei es dem Rest die für die Verdampfung erforderliche Wärme entzieht und damit abkühlt. Es entsteht dabei sogenannter gefrorener Kohlensäureschnee. Dieser wird dann, je nach Anwendung, in die gewünschte Form gepresst.

Kleine Mengen Trockeneis können erzeugt werden, indem man eine CO₂-Flasche auf den Kopf stellt und aufdreht. Das auslaufende flüssige CO₂ verdampft zum größten Teil sofort und kühlt dadurch so stark ab, dass ein Teil als CO₂-Schnee gefriert. Nach diesem Prinzip funktionieren auch CO₂-Löscher, die – neben der Verdrängung des Luftsauerstoffes – dem Feuer Wärme entziehen und die brennenden Stoffe unter den Flammpunkt abkühlen sollen.

Verwendung

Trockeneis wird überwiegend als Kühlmittel verwendet.

Industrie

Kühlmittel: In der chemischen Synthese zur Kühlung von Reaktionsgemischen, meist als Kältemischung in Verbindung mit einem Lösungsmittel für effizienteren Wärmeaustausch; oder als Quelle für CO₂ als Synthesebaustein; Im Motorsport wird Trockeneis zur Kühlung der Motoren verwendet. Vor dem Rennen werden Ventilatoren mit Trockeneis montiert. Wenn das gefrorene Kohlenstoffdioxid in den Motorraum gelangt, ist es ungefährlich für die Maschine, da Trockeneis sublimiert.; In Kältemischungen zum Kühlen bis –90 °C
Verschließen von Rohrleitungen: in Rohrleitungen wird ein Pfropfen durch Kühlen erzeugt, der diese temporär verschließt. So können Arbeiten durchgeführt werden, ohne Rohrleitungen aufwendig zu entleeren. Alternativ wird tiefkalt verflüssigter Stickstoff (–196 °C) verwendet.
Fügen: beim Fügen von Hartmetallhülsen auf Stahlwellen, da der Stahl bei niedriger Temperatur stärker schrumpft als Hartmetall. Bei Raumtemperatur bildet sich eine Pressung der beiden Komponenten, die vorher bei z. B. 20 °C festgelegt wird.
Reinigung: Feines Trockeneis-Granulat wird mit hoher Geschwindigkeit auf die zu reinigende Fläche geblasen. Verschmutzungen (Fette, Trennmittel, Beschichtungen) werden durch die Kälte hart und spröde und platzen ab. Man unterscheidet hierbei das Trockeneisstrahlen und das CO₂-Schneestrahlen.

Medizin und Biologie

Warzen: Zur Entfernung von Warzen werden diese zum Teil vereist. Die Kälteverbrennung nimmt keine Rücksicht auf Gewebeschichten und breitet sich als Kegel nach innen aus, die aufgebrachten Mengen sind so gering, dass lediglich die obersten Hautschichten absterben.
Zahnmedizin: Zum Sensibilitätstest von Zähnen. Durch den Temperaturabfall kommt es bei vitalen gesunden Zähnen zu einem den Reiz nicht überdauernden Schmerz. Kommt es zu keiner Schmerzempfindung, müssen weitere diagnostische Maßnahmen getroffen werden. Ein negativer Sensibilitätstest kann ein Zeichen für eine Pulpanekrose sein. Bei einer Pulpitis kommt es zu einer den Reiz überdauernden verstärkten und nachziehenden Schmerzempfindung. Die Therapie der Pulpanekrose und der Pulpitis ist die Wurzelbehandlung.
Betäuben von Bienen: Insbesondere bei der Bienenkönigin während der instrumentellen Besamung benutzt.
Lockmittel für blutsaugende Insekten und Vektoren: Bei der Überwachung blutsaugender Insekten und Vektoren, die Kohlenstoffdioxid in ihrer Wirtsfindung verwenden (z. B. Stechmücken). Das Kohlenstoffdioxid wird hierbei aus isolierten Behältern mit Trockeneis freigesetzt und lockt die Insekten in die Nähe der Einsaugöffnungen spezieller Fallen.

Veranstaltungstechnik

Erzeugung von Bodennebel mit Trockeneis

In der Veranstaltungs- und Bühnentechnik werden Bodennebeleffekte heute seltener durch Trockeneis erzeugt, auf das heißes Wasser gegossen wird, als durch Nebelmaschinen. Der Nebel, der durch Trockeneis erzeugt wird, hat aber den Vorteil, dass er aufgrund seiner Kälte in Bodennähe verbleibt und nicht wie Fluidnebel den ganzen Raum füllt. Siehe: Nebelmaschine. Vermehrt kommen hierbei Nebelfluide zum Einsatz.
Weil unter Wasser befindliches Trockeneis optisch den Eindruck sprudelnd kochenden Wassers erzeugt, wird es in der Filmtechnik gelegentlich dazu verwendet. Von echtem kochendem Wasser unterscheidet sich der Vorgang durch mit Nebel und CO₂ gefüllte Wasserblasen.
In Restaurants und Hotels zur Verlangsamung des Abschmelzens von Eisskulpturen

Gefahren

Beim Umgang mit Trockeneis sollten Handschuhe und Schutzbrille getragen werden. Bei versehentlichem Hautkontakt sublimiert es zwar an seiner Oberfläche und bildet eine dünne schützende Gasschicht, die den direkten Kontakt zur Haut verhindert (Leidenfrost-Effekt). Bekommt Trockeneis trotzdem über mehrere Sekunden einen festen Kontakt zur Haut, wird die Sublimierung unterbrochen und das Eis bleibt, ähnlich wie beim Anfassen tiefkalter Metallgegenstände, an der Haut kleben. Um langzeitige Schädigungen der Haut und der darunter liegenden Gewebeschichten zu verhindern, muss es augenblicklich entfernt (abgerissen) werden, da es sonst zu einer Kälteverbrennung kommt, bei der das Gewebe in wenigen Sekunden abstirbt. Eine solche Schädigung nimmt keine Rücksicht auf Gewebeschichten und breitet sich kegelförmig nach innen bis auf die Muskeln aus. Dieser Vorgang wird bei der Behandlung von Warzen medizinisch genutzt.

Bei der Aufbewahrung in geschlossenen Räumen verdrängt das entstehende Kohlenstoffdioxidgas aufgrund seiner höheren Dichte die Luft am Boden. Bei der Sublimation dehnt sich das Gas auf das 760-fache des ursprünglichen Volumens aus, weswegen auch kleine Mengen Trockeneis einen Raum völlig mit Gas füllen können. In Konzentrationen oberhalb von 5 % wirkt es auch bei noch ausreichendem Sauerstoffgehalt der Atemluft erstickend. In geschlossenen Behältern kann sich ein gefährlicher Gasdruck aufbauen (siehe Filme bei den Weblinks).

Handelsübliches Trockeneis für den industriellen Einsatz kann unter Umständen Verunreinigungen enthalten und sollte daher nicht zum Kühlen von Nahrungsmitteln (Getränken) verwendet werden. Das Verschlucken von Trockeneis ist aufgrund von Erstickungsgefahr und Kälteverbrennungen lebensgefährlich.

Weblinks

Commons: Trockeneis – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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Quellen

↑ ^1,0 ^1,1 Arnold F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 91.–100., verbesserte und stark erweiterte Auflage. Walter de Gruyter, Berlin u. a. 1985, ISBN 3-11-007511-3.
↑ Linde Gas Gasrechner. Abgerufen am 6. April 2012.
↑ S. Angus, B. Armstrong, K. M. de Reuck (Hrsg.): International Thermodynamic Tables of the Fluid State. Band 3: Carbon Dioxide. Pergamon Press u. a., Oxford u. a. 1976, ISBN 0-08-020924-6.
↑ Kenneth N. Marsh (Hrsg.): Recommended Reference Materials for the Realization of Physicochemical Properties. Blackwell Scientific Publications, Oxford u. a. 1987, ISBN 0-632-01718-X.
↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85. Auflage. CRC Press, Boca Raton FL u. a. 2004, ISBN 0-8493-0485-7 Seiten=6–53 (Google Books, abgerufen am 10. Februar 2010).

[Holleman_Wiberg-1] 1,0 ^1,1 Arnold F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 91.–100., verbesserte und stark erweiterte Auflage. Walter de Gruyter, Berlin u. a. 1985, ISBN 3-11-007511-3.

[2] Linde Gas Gasrechner. Abgerufen am 6. April 2012.

[3] S. Angus, B. Armstrong, K. M. de Reuck (Hrsg.): International Thermodynamic Tables of the Fluid State. Band 3: Carbon Dioxide. Pergamon Press u. a., Oxford u. a. 1976, ISBN 0-08-020924-6.

[4] Kenneth N. Marsh (Hrsg.): Recommended Reference Materials for the Realization of Physicochemical Properties. Blackwell Scientific Publications, Oxford u. a. 1987, ISBN 0-632-01718-X.

[CRC-5] David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85. Auflage. CRC Press, Boca Raton FL u. a. 2004, ISBN 0-8493-0485-7 Seiten=6–53 (Google Books, abgerufen am 10. Februar 2010).

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