Kemičar u kući (#22): kako do suhog leda?

U serijalu „Kemičar u kući“ objavljujemo kemijske zanimljivosti iz svakodnevnog života. Želimo vam pokazati kako znanje kemije može svakome, pa i ne-kemičaru, pomoći u svakodnevnom životu.

Nenad Raos nedjelja, 13. prosinca 2020. u 06:00

Kako sam svaki dan radio sa suhim ledom – jer  sam ga trebao kad je nešto trebalo brzo smrznuti – pade mi na pamet da ga odnesem kući i pokažem djeci, u svom američkom domu, nekoliko lijepih pokusa. Suhi led je ugljikov dioksid u čvrstom agregatnom stanju, a suh je zato što se ne tali nego sublimira. Ako se pak stavi u vodu, zagrijavat će se pa će iz njega izlaziti mjehurići. Treba dodati još malo deterdženta i boje pa da iz čaše počne izlaziti pjena u obliku dugog, jako dugog obojenog crva. No kako da ga donesem sigurno do kuće? Vani je bilo pakleno vruće (blizu 40 oC), a trebalo mi je skoro pola sata da dođem pješice od instituta. Neću li doći kući praznih ruku jer će putem ispariti? Nisam se dao obeshrabriti: umotao sam ga u papir, pa stavio u džep. Za divno čudo, nisam dobio dojam da se putem išta suhog leda izgubilo.

Te sam se zgode sjetio kad su počele one silne priče o tome kako ćemo dopremiti Pfizerovo cjepivo protiv koronavirusa. Kako -70, zašto -70 stupnjeva? Pa jasno, nigdje nije rečeno da se cjepivo mora čuvati baš na -70 oC, ali čim sam čuo za tu temperaturu bilo mi je jasno da će se cjepivo transportirati sa suhim ledom, jer suhi led sublimira upravo na toj temperaturi, ili najtočnije rečeno na -78,48 oC. Dakle, ako se doze sa cjepivom pomiješaju sa suhim ledom, a potom stave u kutiju od stiropora, onda će biti na temperaturi od -78 oC dok god u kutiji bude suhog leda. A bit će ga, sigurno, kad kutija stigne do odredišta, pa i nakon toga.

No kad je naša javnost saznala – konačno! – da će se cjepivo čuvati na suhom ledu, evo opet problema gdje problema nema. Sada  je pak iskrslo pitanje tko će ga i kako proizvoditi. Može se, recimo, pretpostaviti da se cjepivo neće stići na vrijeme upotrijebiti (u što čisto sumnjam), pa će mu trebati dodati rashladnog sredstva. No dobro, da se baš i to dogodi, ne treba napraviti ništa drugo nego uzeti protupožarni aparat, ne s prahom nego s ugljikovim dioksidom, pred njega staviti platnenu vreću, a potom otvoriti ventil. Vreća će se u tili čas biti puna bijelog praha, suhog leda.

Riječ je o tome da suhi led nastaje adijabatskom ekspanzijom ugljikova dioksida. Čak ni vreća nije potrebna. Dovoljno je okrenuti mlaz iz protupožarnog aparata prema krutoj podlozi. Ona će se prekriti injem suhog leda. Postoje dakako i specijalni, no nimalo skupi ni komplicirani uređaji za dobivanje većih količina suhog leda. Sve se to može naći u malo bolje opremljenom kemijskom laboratoriju.

To je tek jedan primjer kako se lako mogu postići niske temperature. U slučaju CO2 riječ je o adijabatskoj ekspanziji, dakle procesu u kojem se unutrašnja energija plina troši na rad njegova širenja, a da pritom plin ne prima toplinu iz svoje okoline (upravo to znači pridjev „adijabatski“). No hladiti se može i otapanjem.

Pri otapanju većine tvari dolazi do oslobađanja topline, a to znači do zagrijavanja otopine. (Upravo zbog toga se ne smije ulijevati voda u sumpornu kiselinu, nego sumporna kiselina – vrlo polako – u vodu.) No postoje i tvari koje pri otapanju upijaju toplinu, pa se otopina hladi. Takva tvar je salitra, kalijev nitrat. Otkriće da se otapanjem salitre može hladiti, dovela je u 18. stoljeću do procvata trgovine osvježavajućim pićima. Hladna pića postala su ljeti dostupna i običnim građanima, a ne samo onima koji su si mogli priuštiti skupi led što je ranom zorom stizao s planina. Donesenim su se ledom, da kažemo modernim rječnikom, postizale temperature ne niže od 0 oC jer led se tali, zna se, upravo na toj temperaturi.

No ledom se mogu postići i niže temprature od njegova tališta. Dovoljno ga je (sitno izmrvljenog) pomijašati sa solju, najbolje u masenom omjeru 2:1. Temperatura će se u tom slučaju spustiti na -20 oC, a ako se umjesto natrijeva klorida ledu doda kalcijev klorid može se postići temperatura i od -50 oC. Danas se smjesa leda i soli kadšto koristi u laboratoriju, no nekoć se – u doba kada nije bilo hladnjaka ni ledenica – koristila i u kućanstvu. Meni je pak ta prirodna pojava bila prilika za nadasve zanimljiv pokus. Donio bih naime na igralište u vrećici malo soli, a onda je svojoj žrtvi nasuo na dlanove. Ne sluteći ništa zla, dječak bi uzeo snijeg u ruke da od njega napravi grudu. Osjećaj je bio strašan: kao da ti stotine ledenih igala probija dlanove. (To sam na sebi iskušao – znanstvena znatiželja jača je od boli.)   

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu te, naravno, Bug online. Autor je više stručnih  i 13 znanstveno-popularnih knjiga, među njima i knjige  „Deset kemijskih pokusa koji su promijenili svijet“ koja je izišla 2000. godine kao prošireni katalog istoimene izložbe u zagrebačkom Tehničkom muzeju Nikola Tesla. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.