Химия и Химики № 3 2012. Опыты с жидким азотом

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

О жидких газах ("постоянные газы")

Итак, чтобы получить водород, кислород, азот, воздух и некоторые другие газы в жидком виде, нужна низкая температура - без нее не помогает никакое - сколь угодно высокое - давление. Оказалось, что получить низкие температуры помогло как раз давление.

Многие, наверное, знают, что если накачивать шину от велосипеда, она нагревается. Работа, совершаемая над газом, переходит в тепло (внутренняя энергия газа растет). Есть и более наглядный опыт. В стеклянную трубку небольшого диаметра, но с толстыми стенками вставляют хорошо подогнанный стальной прут - поршень, на конце которого помещают сухой трут или вату. Когда поршень резко опускают (сжатие), газ нагревается насколько сильно, что трут или вата загораются.

Однако если выпустить воздух из накачанной шины, произойдет обратный процесс: газ расширяется и совершает работу за счет запаса своей внутренней энергии. Нетрудно догадаться, что газ при этом охлаждается.

Охлаждение воздуха при резком расширении демонстрирует простой опыт. Стеклянную бутылку закрывают резиновой пробкой с вставленной в нее трубкой. Через трубку начинают накачивать воздух. В определенный момент пробка с громким звуком вылетает, а внутри бутылки образуется туман. Резкое расширение приводит к охлаждению и конденсации паров воды.

Именно благодаря охлаждению газов при расширении удалось перевести в жидкое состояние кислород, окись углерода, азот, водород и другие "постоянные" газы. Луи Кальете создал установку для исследования сжатия газов, которая была добротной, однако отнюдь не революционной.

Первоначально Кальете не предполагал заниматься сжижением газов. Одной из задач ученого было проведение опытов с одним и тем же количеством газа (т.е. после эксперимента газ не выпускался из установки, а использовался повторно). Для этого он снабдил установку краном, через который можно было вылить из установки воду (накачанную гидравлическим насосом) и вернуть газ к исходным условиям.

Пробные опыты Кальете начал с ацетиленом (открытым незадолго до этого Эд. Дэви - братом Г. Дэви). Сжижение ацетилена не представляло трудностей (за исключением того, что жидкий ацетилен очень взрывоопасен). Критическая температура ацетилена плюс 37°С.

Во время работы произошел случай, который и обусловил будущий успех. В одном из опытов, когда давление еще не достигло величины, необходимой для получения жидкого ацетилена, случайно был открыт спускной кран. Кальете заметил, что в этот момент газ в трубке стал мутным. Многие коллеги решили бы, что это обусловлено конденсацией примесей воды, но ученый не удовлетворился простым объяснением.

Чтобы проверить предположение, он повторил опыт с чистым ацетиленом - туман появился снова. Вместо ацетилена была взята закись азота - тот же результат.

Сомнения исчезли: за счет расширения газ охлаждался и переходил в жидкое состояние. В термодинамике это явление было известно уже давно (более того: ожидаемое охлаждение можно было вычислить из формулы Лапласа), но трудно было представить, что газ мог так резко охладиться в узком капилляре, окруженном со всех сторон стенками.

Кальете понял возможности открытого им метода охлаждения и решил попробовать перевести в жидкое состояние постоянные газы. Начал он с кислорода и окиси углерода. Газы сжимались до 200-300 атмосфер, охлаждались до -29°С кипящим сернистым ангидридом, после чего проводилось их резкое расширение. В случае окиси углерода и кислорода в результате расширения образовался густой туман, водород же в аналогичных условиях оставался прозрачным.

Позднее опыт был повторен в присутствии комиссии, назначенной французской академией наук. Дополнительно было констатировано сжижение азота, метана и воздуха. Даже в случае водорода образовался "чрезвычайно тонкий и легкий туман, который заполнил трубу и мгновенно исчез".

Практически одновременно жидкий кислород получил Пикте, применив ступенчатое охлаждение газов. Несмотря на то, что ученый сделал целый ряд ошибок, не вызывает сомнений, что в его опыте произошло кратковременное образование жидкого кислорода.

Но увидеть жидкий кислород или азот - одно, а получить его - другое. Немного позже польские ученые Ольшевский и Вроблевский сконструировали установку, которая давала небольшие количества жидкого кислорода, позднее - также окиси углерода и азота. Успех обеспечила усовершенствованная конструкция аппарата, а также применение жидкого этилена, который при разрежении кипит при минус 136°С (критическая температура этилена плюс 9°С - т.е. получение жидкого этилена не составляет проблем).

После азота, кислорода и окиси углерода пришла очередь получения значительных количеств жидкого водорода, а позднее - жидкого гелия. Успехи лабораторного получения жидких газов проложили путь к началу их промышленного производства. Этот процесс потребовал большой затраты времени и сил, его описание выходит за рамки данной статьи. Желающим узнать подробности рекомендуем книгу Ж. Клод Жидкий воздух (1930) ссылка. Данная книга представляет не только исторический интерес, она будет полезна для изучения основ физики и технологии жидких газов. Конечно, книга Ж. Клода несколько устарела, но в ней многие вещи расписаны просто и понятно, а главное - изложение ведется с точки зрения практика (взял - сделал). Многие же из современных учебников (и монографий) написаны сухим, малопонятным языком и полностью оторваны от практики.