Tøris, den ubesungne helt fra COVID-19-vaccinen, forklaret

Robert Levis dumpede bidder af et hvidligt stof i et bæger med vand, og straks begyndte væsken at skumme og kværne som en troldmand, spyede tågestriber hen over bordet på sit kontor på Temple University.

"Det ser ud til, at vandet koger, " sagde Levis, en kemiprofessor.

Lige det modsatte. Tågen var ikke damp, men vanddråber, der var frosset - takket være et brag af minuskulde fra det hvidlige stof:tøris.

Formelt kendt som fast kuldioxid, tøris får sit kaldenavn fra en kemisk egenskab, der retfærdigt beskrives som sublim. Det smelter ikke, men sublimerer – går lige fra fast til gas, uden rodet væske involveret. Og fordi den faste form har en temperatur på minus 109 grader Fahrenheit, det afkøler alt i nærheden som en mester.

Såsom vacciner. Som vi har hørt i flere måneder, COVID-19-optagelserne fra Pfizer Inc. og BioNTech SE kræver særlig opmærksomhed på den "kolde kæde"-at holde hætteglassene ved ultra-lave temperaturer på turen fra fabrik til klinik, så det RNA-baserede produkt ikke nedbrydes. Almindelige frysertemperaturer er OK i to uger før brug, men til langtidsopbevaring og transport, det nødvendige område er mellem -112 og -76 grader:en perfekt pasform til tøris.

Levis illustrerede for nylig materialets fede egenskaber med en række demonstrationer. Der sprang balloner. Frugtfarve. En legetøjspistol, der skød sæbebobler!

Hans rigtige job involverer forskning i så banebrydende emner som at bruge lasere til at måle de kemiske "markører" for hjerneskade, men hvem siger, at universitetstyper ikke kan have det lidt sjovt? Levis, der også holder foredrag om kemien ved at lave vin, er stor fortaler for at bruge hverdagsfænomener som undervisningsredskaber.

Og tøris, bruges til så forskellige formål som at lave is, sprængning af graffiti af vægge, og skabe "tåge" til specialeffekter, er omtrent så hverdagsagtigt, som du kan blive.

Hvorfor det er tørt

Kort fortalt, molekyler af kuldioxid klæber ikke godt til hinanden.

For at forstå hvorfor, lad os starte med vand. Vandmolekyler er "polære, " hvilket betyder, at de er lidt positive i den ene ende (brintatomerne i H2O) og lidt negative i den anden (ilten). Modsætninger tiltrækker, så molekylerne hænger nogenlunde sammen. Dette er grunden til, at vandmolekyler har en tendens til at klynge sig i små perler på et glas eller bilrude, en proces kaldet samhørighed.

Men molekyler af kuldioxid (CO ₂ ) har et oxygenatom (den negative del) i begge ender, med kulstof i midten. Ingen tiltrækning mellem enden af ​​det ene molekyle og det næste. Resultatet:der skal ikke meget til, før molekyler af kuldioxid skiller sig fra hinanden. Når du først når højere end minus 109 grader, whoosh! Molekylerne springer fra hinanden i gasfasen, uden at holde pause i flydende form.

Ved stuetemperatur, det sker i en fart.

At demonstrere, Levis placerede klumper af tøris i en plastikflaske og satte en ballon på toppen. Derefter gjorde han det samme for en anden flaske med terninger af det, han kaldte "vandis" - det vil sige, frosset vand, ikke sommertidens Philadelphia lækkerbisken. (Bemærk til dem, der måske prøver dette på egen hånd:Bær beskyttelseshandsker til at håndtere tørisen, og gør det i et ventileret område.)

Næsten med det samme, ballonen på tørisflasken begyndte at pustes op, da de faste bidder sublimerede til kuldioxidgas. På få minutter, knald! Ikke mere ballon.

"Ha ha!" hylede han. "Ventetiden værd."

Men i den anden flaske, den almindelige is smeltede simpelthen til vand. Små mængder fordampede, men ikke nok til at se nogen effekt. Ballonen forblev slap.

Hvordan det er lavet

Om et stof er fast, væske, eller gas afhænger af mere end temperatur. En anden faktor er pres. Hvis trykket er højt nok, selv kuldioxid kan komprimeres fra en gas til dens flydende fase.

Faktisk, sådan laves tøris, sagde Rich Gottwald, formand for Compressed Gas Association, en branchegruppe. (Blandt dets medlemmer er Radnor-baserede Airgas, en af ​​de førende amerikanske producenter af tøris.)

Først, kuldioxidgas opsamles som et biprodukt fra forskellige industrielle processer såsom fremstilling af ethanol. Det komprimeres derefter til en væske inde i en metaltank. Når en særlig form for udløsningsventil åbnes, det pludselige trykfald gør det muligt for væsken at undslippe hurtigt som en gas. Temperaturen falder tilsvarende, så meget, at gassen straks fryser til hvide flager:tøris.

Det samme princip bruges i klimaanlæg og køling, når kølevæskevæsken komprimeres og derefter får lov til at ekspandere til gasform, igen og igen i en cyklus. Men andre stoffer bruges til det formål, ikke kuldioxid. Der er ingen "is" fase, kun væske og gas. Som kemistuderende lærer, hvert stof opfører sig forskelligt som reaktion på forskellige kombinationer af temperatur og tryk.

Medlemmer af handelsgruppen for komprimeret gas producerer 35, 000 tons kuldioxid hver dag i USA og Canada, hvoraf 16% er lavet til tøris, sagde Gottwald. For at imødekomme den øgede efterspørgsel efter forsendelse af vaccinerne, virksomheder har øget tørisproduktionen med anslået 5 % - hvilket svarer til mindre end 1 % af den samlede kuldioxidproduktion. Der er ikke rapporteret om mangel.

Tunge ting

Sidste sjove fakta. Dette har intet at gøre med dets anvendelighed ved forsendelse af vacciner, men kuldioxid er tættere end luft. At demonstrere, Levis anbragte klumper af tøris i en plastikbeholder og lod den begynde at sublimere til et usynligt lag af gas.

Han brugte derefter en legetøjspistol til at skyde sæbebobler hen over toppen. Boblerne var fyldt med luft, og normalt ville have sunket på gulvet på grund af vægten af ​​den tynde film af sæbe. Men i kemikerens demo, de luftfyldte bobler forblev oppe, flyder oven på laget af tættere kuldioxid nedenunder.

"Det er ligesom en heliumballon, " han sagde.

Kuldioxid er også en drivhusgas, hvilket betyder, at det spiller en rolle i klimaforandringerne, men det er et emne for en anden dag. Og tøris bidrager ikke rigtig til problemet, da det er lavet af CO ₂ der bliver produceret alligevel.

Tilbage til øjeblikkets emne:at holde vacciner kolde. Et par andre stoffer kunne få arbejdet gjort, såsom flydende nitrogen. Men det ville være overdrevent, da dens temperatur er negativ 320 grader.

Du kan også afkøle almindelig is langt nok ned til at holde vaccinerne kolde. Men det ville være mindre effektivt end blot at bruge tøris i sig selv, sagde Levis, som er senior associeret dekan ved Temple's College of Science and Technology. Udover, når almindelig is smelter, resultatet (overraskelse!) er vand. Vaccinemærkerne ville falde af.

Så mens du navigerer i den besværlige proces for at tilmelde dig vaccination, det giver mening at slappe af i mindst én henseende. Tøris er på sagen.

(c)2021 USA i dag
Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.