«Энтальперы» — одноразовые химические грелки и холодные компрессы
Высыпать хлористые соли на лед себе дороже, особенно высыпать их с целями борьбы с оледенением железобетонных конструкций. Для этих солей можно найти лучшее применение. Постоянные читатели LAB-66 уже могут догадаться каким оно будет. Это согревающие и охлаждающие “компрессы”. Рассказываю про разновидность “солевых грелок”, работающих на эффекте энтальпии растворения. Сразу условлюсь, что в дальнейшем по тексту буду называть такие объекты энтальперами.
В повседневной жизни часто возникает необходимость в локальном обогреве или охлаждении, желательно, не зависящем от электричества. Чаще всего такая необходимость возникает при травмах. Горячие и холодные компрессы часто используются спортсменами (да и обычными людьми) ля лечения легких травм, воспалений, растяжения связок, мышечных спазмов, головных болей и прочих недугов.
Самым простым энергонезависимым вариантом являются одноразовые химические грелки/охладители, которые работают за счет энтальпии растворения различных неорганических солей. В качестве “топлива” в таких грелках используются в основном соли с ионной связью в кристаллической решетке.
Небольшое теоретическое введение. Напомню что кристалл любой из неорганических солей состоит из положительных и отрицательных ионов, которые удерживаются в кристаллической решетке за счет электростатического ион-ионного притяжения (противоположные заряды притягиваются). Для лучшего понимания можно прочитать подразел про сверхслабые взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса в моей ранней статье.
Когда такая соль растворяется в воде, электростатическое притяжение между ионами нарушается, и каждый ион образует новые электростатические взаимодействия с молекулами воды. Будет ли процесс растворения эндотермическим (поглощение энергии ❄️) или экзотермической (выделение энергии 🔥) зависит от баланса между ион-ионными силами в решетке соли (их необходимо преодолеть), и диполь-ионными силами (стабилизируют растворенные ионы). Энтальпия растворения солей — это справочная информация, которую для некоторых электролитов можно посмотреть в таблице ( или на картинке). Если какой-то соли в справочнике найти не удалось, то придется рассчитывать эффекты вручную по методике.
Cборка одноразовых “энтальпийных” пакетов эксплуатирующий описанный выше эффект достаточно проста даже для неискушенного в химии читателя. За пару часов их можно сделать десятки грелок/охладителей абсолютно разных размеров. Далее я расскажу про это подробнее.
Главное что нам необходимо — это подходящие соли. Придется отправится в магазин для садоводов и огородников (или даже аптеку) и приобрести там что-то из показанных на картинке солей:
Синими значками “эндотерма” помечены соли, которые при растворении охлаждают, оранжевыми значками “экзотерма” — соли которые при растворении нагревают. Как видно, претендентов на роль ❄️холодного компресса хоть отбавляй, а вот с обогревающими 🔥 проблема.
Из самых перспективных вариантов для обогрева отмечу сульфат магния (удобрение), хлорид магния (соль для ванн “Бишофит”), хлорид кальция (противогололедная соль). Как следует из статьи Химические “солевые” грелки/хладоэлементы, безводный хлорид кальция способен выдать 81,3 кДж/моль тепла, безводный сульфат магния — 91,2 кДж/моль тепла, безводный хлорид магния — целый 160 кДж/моль. Но здесь есть один нюанс. Та соль, что продается в аптеках в виде соли для ванн “Бишофит” — это кристаллогидрат MgCl2 · 6H2O, который практически нереально обезводить в кустарных условиях. Каждый кристаллогидрат хлористого магния устойчив только при определенной температуре и переход одного гидрата в другой происходит по следующей схеме: MgCl₂·12Н₂O (при -19,4° С)> MgCl₂·8Н₂O (при -3,4° С)> MgCl₂·6Н₂O (при +17° С)> MgCl₂·4Н₂О(при 182° С)> MgCl₂·2Н₂О (при 240 ° С)>MgCl₂·Н₂О. Но нюанс в том, что просто нагреть соль нельзя, во-первых кристаллогидраты хлористого магния плавятся, раздаваясь при довольно низкой температуре, быстрый нагрев приводит к расплавлению и сильному вспениванию продукта. А во-вторых при температуре выше 200° С начинается гидролиз соли с образованием хлористого водорода. В интервале 304–554° С этот процесс определяется уравнением:
MgCl₂ + Н₂O → Mg(ОН)Сl + НСl
Выше 554° С протекает реакция:
MgCl₂ + Н₂О = MgO + 2НСl
Т.е. нужно обезвоживание в среде соляной кислоты. Естественно это нам не подходит.
Между хлоридом кальция и сульфатом магния выбор пал на вторую соль, ибо во-первых ее гораздо проще найти (почти в любом магазине для дачников), а во-вторых соль продается в очищенном виде, в отличия от хлорида кальция, который в большинстве продающихся в магазине противогололедных смесей смешан с избытком обычной соли NaCl.
Cульфат магния продается (что в аптеках, что в хозмагах) в виде кристаллогидрата MgSO₄·7H₂O. Т.е. тоже необходимо термическое обезвоживание. В природе наиболее распространены минерал эпсомит — MgSO₄·7H₂O и минерал кизерит — MgSO₄·H₂O. У эпсомита первые шесть молекул воды отщепляются при температуре около 70 °C. Полное обезвоживание кизерита в промышленности проходит во вращающихся печах при обогреве дымовыми газами, начинается при 200°C и заканчивается при 440°C. Так что либо прокаливать в духовке на максимуме, либо в какой-нибудь жестянке в камине, контролируя температуру соли пирометром. Я примерно так и делал, периодически перемешивая прокаливаемую соль. В качестве тигля использовалась армейская стальная миска.
Кстати, замечание про жаропроизводительность дров. Она различная, в зависимости от породы дерева. Для ориентира следующая табличка
После того как сульфат магния стал мелкодисперсным белым порошком, я просто пересыпал его остывать в герметично закрывающуюся стеклянную банку (предварительно подогретую).
Что до солей, которые используются в качестве охладителей, то здесь ничего прокаливать не нужно. Главное хранить их в закрытых пакетах (гигроскопичность! соли впитывают влагу из воздуха и расплываются). Оптимальнее всего использовать следующие удобрения: калиевую селитру (забирает 34,89 кДж/моль) и аммиачную селитру (забирает 25,69 кДж/моль), если их нет см. другие подходящие варианты в статье.
Если кто-то не знает, то даже обычная пищевая соль охлаждает воду (забирает 3.9 кДж/моль), чуть эффективнее работает сахар в чае (забирает 5.76 кДж/моль). Но для холодных компрессов эти вещества не годятся, цифры можете сравнить сами.
Когда с предварительной подготовкой закончено приступаем непосредственно к сборке наших “энтальперов”. Первым делом формуем любым доступным методом запаивания (паяльник, утюг, вакуумный запайщик) небольшие пакеты из полиэтилена.
В моем случае пакеты были рассчитаны на 80 мл воды (больше воды — больший размер и больше выделяемой/поглощаемой энергии). Размер готового пакета примерно 70х105 мм в готовом виде, т.к. при заваривании края должен быть небольшой отступ для удобства работы, то изначально длина была больше (140 мм), лишний край потом отрезается.
Можно ничего и не паять, а использовать качественные zip-lock пакеты.
Принцип тот же, в толстый zip-lock пакет помещаем маленький zip-lock пакет с водой и насыпаем определенное количество сухой соли. Для домашнего применения такой вариант подойдет, а на случай транспортировки желательно использовать пакеты из толстого полиэтилена, в т.ч. и самодельные.
Я не стал искать zip-lock вариант, а сделал пакеты из обычной “для теплиц” полиэтиленовой пленки толщиной 200 мкм (основной пакет) и 65 мкм (пакет — “ампула” для воды).
Большие пакеты формуются так же как и маленькие. Главное использовать более прочную пленку, т.к. большой пакет это и есть собственно то, что и будет выступать в роли основного рабочего тела грелки/компресса. Здесь основной критерий — удобство пользования. У меня размер пакетов 120х200 мм. Сделав заготовки подходящего размера, помещаем внутрь наши “ампулы” с водой.
Теперь на кухонных весах взвешиваем необходимое количество соли (~1/2 от веса воды). В моем случае шло примерно по 40 грамм соли в пакет. Вместе солью обязательно кладем цветовой идентификатор температуры (красная/синяя полоска) и запаиваем.
Вот и все. Набор одноразовых “энтальпийных” грелок/хладоэлементов готов. Срок хранения таких объектов не ограничен (если все сделано аккуратно и взят хороший полиэтилен для пакетов). Для запуска нужно сильно скрутить большой пакет, чтобы разорвался внутренний, маленький с водой. Возможно кому-то проще раздавить пакет пальцами или что-то подобное. Главное — надо как-то разрушить “ампулу” и заставить воду смешаться с солью. Если вода пошла — трясем пакет, добиваясь перемешивания. Практически сразу же начинается сильная экзо/эндотермическая реакция. Можно использовать по назначению. Количество выделяемого/поглощаемого тепла и время работы энтальпера зависит от того, сколько в нем используется соли. Каждый может даже при желании посчитать сколько выделяется тепла. В начале статьи я указывал энтальпии растворения для некоторых солей. Например сульфат магния выделяет при растворении 91,2 кДж/моль тепла. 1 моль сульфата магния равен отношению массы соли к молярной массе вещества, т.е. 1 моль сульфата магния это 120 грамм безводной соли (Mr MgSO₄ = 120 г/моль). В случае грелки с 40 граммами соли выделится в три раза меньше энергии, т.е. ~ 30 кДж.
По поводу затрат мне сложно сказать что-то конкретное. Пакет аммиачной селитры на килограмм стоит около доллара, пакет калиевой селитры на 0,5 килограмма — примерно полтора доллара, пакет сульфата магния на 0,2 килограмма — примерно 70 центов. Можете сами посчитать, сколько стоит один “энтальпер”. Но точно дешевле выпускаемых серийно вариантов (которые, ко всему прочему, на пост-советских территория не приобрести):
