把乾冰放進寶特瓶，為什麼會爆裂？
― 一小塊乾冰，會變成約 850 倍的氣體
乾冰不像水結成的冰那樣會「融化成水」。它會從固體直接變成看不見的氣體，這時體積約膨脹成 850 倍。在蓋緊的容器裡，這些氣體無處可逃。即使只有指尖大小的一塊，也足以讓寶特瓶爆裂。
你買了冰淇淋回家，發現袋子裡放著乾冰。白煙冒個不停，孩子開心極了。
孩子說：「我想把這些煙關起來。」於是把一小塊乾冰放進空的寶特瓶，旋緊瓶蓋。過了一會兒，瓶子被撐得鼓鼓的。
這是非常危險的狀態。瓶子接下來可能會發出巨響而裂開。飛出的瓶蓋或碎片害人受傷的案例，也一再有人通報。瓶子裡到底發生了什麼事呢？
危險的原因，大致有 2 個
乾冰的真面目，是二氧化碳冷卻後凝固而成的東西。變回氣體時，體積約為 850 倍。在封閉的容器裡，這會變成壓力，不斷推擠容器壁。
跑出來的二氧化碳無色無味。它比空氣重，所以會積在靠近地面的地方或封閉的空間。濃度變高，就會造成頭痛或失去意識。
第 1 個是「爆裂」的危險，第 2 個是「窒息」的危險。兩者都來自同一個性質：乾冰不會融化，而是直接變成氣體。我們依序來看。
一小塊乾冰，為什麼能強到讓瓶子裂開？
一般的冰在 0°C 會融化成水，體積幾乎不變。但乾冰在周圍的氣壓下無法變成液體。它在約負 79°C 時，會從固體直接變成氣體。這種變化稱為「昇華」。
變成氣體的二氧化碳，需要比固體時大得多的空間。1 公克的乾冰，還不到半顆方糖大。但它變成氣體後，約有 545 立方公分，也就是剛好裝滿一瓶 500 毫升的寶特瓶。
蓋上瓶蓋後，氣體出不去。於是瓶中的氣體粒子撞擊瓶壁的力道愈來愈強，這就是壓力。請看圖 1。乾冰的量愈多，瓶中的壓力就直線上升。
在 500 毫升的瓶子裡放 10 公克，經計算瓶內壓力會比外面高出約 11 大氣壓。碳酸飲料用的寶特瓶做得很堅固，但據說在 10 大氣壓左右還是會爆裂。而 10 公克，只不過是冰淇淋袋裡幾小塊乾冰的量。
換成玻璃瓶或金屬水壺，也不會比較安全。玻璃會變成鋒利的碎片四處飛散。水壺或噴霧罐這類容器，瓶蓋或底部可能會被炸飛。基本原則是：能蓋上蓋子的容器，不論什麼材質都不要放。
看不見的氣體，會跑到哪裡去？
只要不蓋蓋子，就不會爆裂。但跑出來的二氧化碳本身，還有另一種危險。
二氧化碳的重量約為空氣的 1.5 倍。因此它不會馬上和周圍的空氣混合，而是流向並積在靠近地面的低處。它無色無味，積在那裡也很難察覺。
圖 2 是估算：在一輛小客車裡，1 公斤的乾冰全部變成氣體時會怎樣。車內的空氣約 3 立方公尺。如果車窗緊閉，經計算二氧化碳的比例高達 18%。平常空氣中只含約 0.04%，所以是它的數百倍。
對身體的影響方面，據說比例約 3〜4% 時會開始頭痛、呼吸困難；到了 7〜10%，數分鐘內就可能失去意識。實際上氣體會慢慢漏到外面，所以不會馬上達到 18%。即便如此，用密閉的車子長時間運送仍然很危險。在冷凍庫的作業室或地下室等空氣不流通的地方，也會發生同樣的事。
乾冰冒出的白煙，是周圍的空氣突然被冷卻，空氣中的水蒸氣變成細小的水滴或冰粒。原理和冬天呼出的白氣一樣（白氣的文章）。二氧化碳本身是透明的，所以就算煙消失了，看不見的氣體仍然在那裡。不能說「沒有冒煙就沒事」。
那麼，該怎麼做才好？
- 不要放進能蓋緊的容器寶特瓶、玻璃瓶、水壺、能密封的保存盒，全都有爆裂的可能。
- 不要徒手碰、不要放進嘴裡它有負 79°C，幾秒鐘就會凍傷皮膚。請戴棉紗手套或用夾子。
- 使用和丟棄時，都要在通風的地方在車上要開窗或引入外氣；剩下的乾冰放在戶外的陰涼處，讓它自然變成氣體。
在放了乾冰的房間或車內，如果覺得頭痛、頭暈、呼吸困難，請立刻開窗通風，離開現場呼吸新鮮空氣。如果有人倒下，請以通風為優先，避免自己也吸入，並撥打 119。二氧化碳中毒可怕的地方，在於自己很難察覺。如果發現容器鼓起來，不要想打開蓋子，也不要把臉靠近，直接離開現場。
總結
乾冰是不會融化、直接變成氣體的二氧化碳固塊，體積會膨脹成約 850 倍。在蓋緊的容器裡，這會變成壓力，即使只有 10 公克，也能達到讓寶特瓶爆裂的壓力。不蓋蓋子的話，這次換成看不見的重氣體積在低處。
乾冰不是「小小的冰」，
而是「會膨脹成 850 倍的氣體塊」。
壓力被關住時會發生什麼事，也可以從另一個角度，在壓力鍋的文章和火山噴發原理的文章中看到。
- 在不蓋蓋子的小杯子裡放入一小塊乾冰，並戴著棉紗手套處理。
- 在杯口套上一個沒有吹過的橡皮氣球（它不是蓋子，會伸展而成為出口）。觀察氣球慢慢鼓起來。
- 氣球變成拳頭大小時，立刻取下，到戶外把裡面的氣體放掉。請在通風良好的地方進行。
看看一小塊乾冰能讓氣球膨脹到多大，就能實際感受到體積變成好幾百倍。請務必遵守這 2 點：不要讓氣球脹得太大；絕對不要用寶特瓶或密封容器來做。
想知道更多的人 ― 術語・算式・與課本的連結明確標示從國中理化到大學專業課程，各屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「化學」「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學、大學專業課程（物理化學・熱力學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教、目前研究者還在探討的話題
國中術語：這個現象是有名字的
- 昇華：固體不經過液體，直接變成氣體的變化。乾冰，以及冷凍庫裡放久的冰變小，都是例子。
- 狀態變化：物質在固體、液體、氣體之間改變樣貌。粒子的數量不變，改變的是粒子之間的間隔。
- 壓力：推擠某個面的力的強度。氣體的壓力，是許多粒子撞擊容器壁的力道總和。
國中高中用算式確認：10 公克時，瓶內會是幾大氣壓？
假設在 500 毫升的寶特瓶裡放入 10 公克乾冰並蓋緊。溫度是 20°C，乾冰全部變成氣體。扣除瓶中原本的空氣，只求增加的那部分壓力。
| 用符號寫 | P ＝ n × R × T ÷ V （n ＝ m ÷ M） |
| 用文字寫 | 壓力 ＝ 氣體的量（莫耳） × 氣體常數 × 溫度 ÷ 容器的體積 |
| 這個式子從哪裡來 | 理想氣體的狀態方程式。意思是：溫度相同時，粒子愈多、容器愈小，撞擊容器壁的次數就愈多，壓力就愈高 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| P | 容器內的壓力（大氣壓） |
| n | 氣體的量（莫耳） |
| m | 乾冰的重量（公克） |
| M | 二氧化碳 1 莫耳的重量 44 公克 |
| R × T | 在 20°C 時，等於 1 莫耳氣體在 1 大氣壓下佔的體積 24.0 公升 |
| V | 容器的體積（公升） |
| 乾冰的重量 | 10 公克 |
| 二氧化碳 1 莫耳的重量 | 44 公克 |
| 20°C、1 大氣壓下 1 莫耳氣體佔的體積 | 24.0 公升 |
| 寶特瓶的體積 | 0.5 公升 |
| 乾冰的密度 | 每 1 立方公分 約 1.56 公克 |
| 氣體的量（莫耳） | 10 ÷ 44 ≒ 0.227 |
| 在 1 大氣壓下擴散時的體積（公升） | 0.227 × 24.0 ≒ 5.45 |
| 擠進 0.5 公升時的壓力（大氣壓） | 5.45 ÷ 0.5 ≒ 10.9 |
| 1 公克固體的體積（立方公分） | 1 ÷ 1.56 ≒ 0.641 |
| 1 公克氣體的體積（立方公分） | 24000 ÷ 44 ≒ 545 |
| 膨脹的倍率 | 545 ÷ 0.641 ≒ 850 |
放 10 公克時，瓶內會比外面高出約 11 大氣壓。這個值超過了碳酸飲料用瓶據稱會爆裂的 10 大氣壓左右。車子的情況也用同一個式子：1 公斤在 1 大氣壓下是 545 公升，在 3000 公升的車內是 545 ÷ 3000 ≒ 0.18，也就是約 18%。
高中高中＋為什麼「不會融化」，蓋上蓋子又會發生什麼事
高中物質會是固體、液體還是氣體，由溫度和壓力的組合決定。把這件事整理成一張圖，就是相圖。在二氧化碳的相圖中，1 大氣壓的線不會通過液體的區域。所以在一般氣壓下，它會從固體直接變成氣體。
高中＋據說二氧化碳只有在高於約 5.1 大氣壓時，才能變成液體。也就是說，在堅固的密閉容器裡，壓力超過 5 大氣壓時，乾冰可能會變成液態的二氧化碳。用透明的堅固管子做實驗，真的可以看到液體。不過壓力還會繼續上升，所以用身邊的容器來試很危險。
大學三相點，以及和理想氣體的差異
固體、液體、氣體三者共存的溫度和壓力稱為三相點，二氧化碳的三相點據說約為負 57°C、約 5.1 大氣壓。這和水的三相點只有約 0.006 大氣壓這麼低，形成對比。另外，本文的計算用了理想氣體狀態方程式，但在高壓下，分子之間的吸引力和分子本身的大小就會有影響。要算得更準確，會用范德瓦耳斯狀態方程式等來修正。昇華的壓力與溫度的關係，則以克勞修斯－克拉佩龍方程式表示。
📖 算式的推導與更進一步的內容：理想氣體（維基百科） ／ 三相點（維基百科）
研究還不是很清楚的事
- 容器破裂壓力的差異。 寶特瓶的爆裂壓力，會因形狀、厚度、刮傷和溫度而大不相同。冷卻變硬的塑膠會怎麼破裂，在材料研究中也被認為是很難處理的問題。
- 積在低處的氣體如何消散。 重氣體要花多少時間才會混合並變稀，會因房間的形狀、溫差和微弱的氣流而大幅改變。要預測每個現場的情況，目前仍然很困難。
- 長時間處於低濃度下的影響。 幾個百分比的短時間影響已經研究得很清楚，但長時間處於更低濃度時，對睡意或專注力的影響，各研究的結果並不一致。
換句話說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。請把數值當成參考，處理時務必保留餘裕，往安全的一方靠。
與課本的連結（依程度分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化 1 年級「狀態變化」、2 年級「氣體的性質」 | 昇華、體積增加的原因 |
| 高中 | 化學基礎・化學「氣體定律」「相圖」 | 用狀態方程式計算壓力 |
| 高中＋ | 化學「相圖」的進階 | 高於 5.1 大氣壓會變成液體 |
| 大學 | 物理化學・熱力學 | 三相點、真實氣體的修正 |
| 研究 | 材料強度・通風工程・職業衛生 | 爆裂壓力的差異、氣體積聚的方式 |
| ― | 與生活的連結 | 當作保冷劑的使用、在車上的運送方式、丟棄方式 |
- 維基百科「乾冰」（日文版）
- 維基百科「三相點」（日文版）
- 國立天文台編《理科年表》丸善出版（National Astronomical Observatory of Japan／國立天文台，二氧化碳的物性值）
- Consumer Affairs Agency (消費者庁)・National Consumer Affairs Center of Japan (国民生活センター)「ドライアイスの取り扱いに関する注意喚起」（乾冰處理的注意事項；容器爆裂、車內中毒事故的案例）
- Ministry of Health, Labour and Welfare (厚生労働省)「職場のあんぜんサイト」（職場安全網站；缺氧、二氧化碳造成的災害案例）
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是為了理解原理的參考值與概算。乾冰的處理方式，請遵照商品或販售店的注意事項，以及消防、地方政府等單位的指示。如果覺得身體有異狀，請不要猶豫，立刻向醫療機構諮詢或撥打 119。