Химия и Химики № 3 2012. Опыты с трубкой Фарадея (получение сжиженных газов)

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

Простой способ получения жидких газов

Глядя на разбитую 1 мл пипетку, мы обратили внимание, что это тонкая трубка имеет довольно толстые стенки (внутренний диаметр около 3 мм, при толщине стенок почти 2 мм). Такая трубка должна выдерживать сравнительно высокое давление. Она должна подойти для классического эксперимента Фарадея по сжижению газов. Принцип данного опыта уже был описан в статье про жидкий азот ссылка, сейчас же мы остановимся на нем более подробно. Приведем фрагмент из книги Ж. Клод Жидкий воздух (1930) ссылка.

В этот период Фарадей был только скромным лаборантом у Гемфри Дэви. По поручению последнего он изучал хлоргидрат, кристаллическое соединение, образующееся при взаимодействии при низких температурах воды и хлора. В целях изучения влияния теплоты на это соединение, несколько кристаллов были помещены в закрытое колено опрокинутой стеклянной V-образной трубки (см. рисунок), после чего другое колено было запаяно на лампе. Затем под влиянием умеренного нагревания кристаллы расплавились, выделив зеленовато-желтые пары и желтую жидкость; последняя в виде маслянистых капелек осела на стенках того колена трубки, которое не подвергалось нагреву.

Рассказывают, что вошедший в лабораторию во время производства опыта доктор Пари, друг Дэви, слегка пожурил молодого лаборанта, увидев осевшие на стенках трубки упомянутые выше капли, которые в его представлении свидетельствовали о прискорбной небрежности допущенной при производстве опыта [Пари решил, что это следы масла - прим. ред.].

Смущенный Фарадей ничего не ответил в тот момент, но на следующий день им была послана суровому доктору коротенькая записка следующего содержания:

"Маслянистые капли оказались жидким хлором".

Молодой ученый был обязан этим своим открытием случаю, - который пришел ему на помощь. Многие другие на его месте прошли бы мимо замеченного явления, но Фарадей всесторонне изучил его. Он понял сущность происшедшего на его глазах процесса, дающего в руки экспериментатора чрезвычайно простой метод, и не усомнился в возможности применить этот метод во всех других, подобных приведенному, случаях. Он решил, что вместо получения газов, предназначенных к сжижению в различных приборах и перекачивания их в закрытый сосуд для сжижения при помощи сложных, неудобных и легко портящихся нагнетательных насосов, отныне можно будет получать в одном и том же закрытом сосуде, при помощи соответствующей реакции все увеличивающиеся количества изучаемого газа. Таким образом, газ будет сжиматься сам по себе, до того момента, пока не начнет сжижаться в охлажденной части прибора, в которой вследствие пониженной температуры, упругость насыщения меньше.

Отметим мимоходом, что таким образом Фарадей дал новое применение открытому знаменитым Джемсом Уатт принципу поверхностного охлаждения. Впрочем, метод, открытый Фарадеем не являлся безопасным; при происходивших взрывах трубок Фарадей был несколько раз ранен, получив однажды даже ранение глаз.

1 - изогнутая и запаянная трубка, 2 - вещество или смесь, которые выделяет при нагревании необходимый газ, 3 - охлаждаемое колено, где собирается сжиженный газ, 4 - вода или охлаждающая смесь.

Незначительные шероховатости, неизбежные при научных изысканиях, легко сглаживаются тем огромным удовлетворением, которое дает оправдавший надежды опыт, и Фарадей не был бы тем воодушевленным экспериментатором, каким он известен, если бы ничтожные неудачи ослабили его настойчивость.

Уже в течение достопамятного 1823 года, было осуществлено сжижение следующих газов: сернистый водород [сероводород], полученный от взаимодействия соляной кислоты и сернистого железа, был приведен в жидкое состояние при давлении в 17 атм. и температуре 10°С; сернистая кислота [сернистый газ], полученная взаимодействием серной кислоты и ртути - была сжижена под давлением в 3 атмосферы при 7.5°С; даже закись азота, получавшаяся нагреванием азотноаммониевой соли [нитрат аммония], была сжижена под давлением в 50 атм., и, наконец, были сжижены циан - под давлением в 3.7 атм. и углекислота - под давлением в 36 атм. Вот те успехи, которые в первый же год дополнили список побед, одержанных Фарадеем и, понятно, побудили его к дальнейшим работам в этом направлении.

Аналогичное описание опыта Фарадея по сжижению газов дается и в книге В.М. Бродянский - От твердой воды до жидкого гелия (история холода) [1995] ссылка

В "Основах химии" Д.И. Менделеева [1] дается следующее описание экспериментов Фарадея по сжижению аммиака:

Для превращения [аммиака] в жидкость Фарадей употребил следующий способ. Сухое хлористое серебро AgCl, при пропускании сухого аммиака поглощается значительное количество аммиака, особенно при охлаждении. Полученное при этом соединение аммиака с хлористым серебром вводится в изогнутый конец А толстостенной стеклянной трубки, представленный на рисунке, и открытый конец В запаивается. Тогда слегка нагревают полученное соединение, причем аммиак выделяется потому, что оно легко диссоциирует. Другой конец трубки помещен в охлаждающую смесь.

Давление выделяющегося газа и охлаждение одной части прибора заставляют выделяющийся аммиак сгущаться, в сгущенном состоянии он собирается в охлажденном конце в виде жидкости. Если прекратить нагревание, то хлористое серебро снова поглотит аммиак. (Таким образом, одна трубка может служить для большого числа опытов).

_________________________________________________
¹ Д.И. Менделеев Основы химии. 7-ое издание. СПб.: Типо-литография М.П. Фроловой, 1903 г ссылка

Сгущение аммиака в жидкость. Изогнутая стеклянная трубка из толстого стекла. В колене А находится соединение хлористого серебра с аммиаком. Конец В запаивается после введения этого соединения в трубку.

Трубка, изображаемая на втором рисунке, погружается концом А в сосуд с водой, нагреваемой лампой [пламенем], от чего выделяется аммиак. Конец В помещается в стакан со смесью снега и соли, от чего в этом холодном месте сгущается аммиак в виде жидкости.

Как видите, описанный способ получения жидких газов очень простой и может быть с легкостью осуществлен в домашних условиях. В его основе лежит два важных момента.

Во-первых, еще Майкл Фарадей понял, что получать газ и переводить его в жидкое состояние можно в одном и том же сосуде - это значительно упрощает установку.

Во-вторых, устойчивость трубки (или цилиндра) к действию давления тем выше, чем меньше их диаметр и толще стенки. Этим условиям хорошо удовлетворяют трубки от пипеток. Не следует, однако забывать, что опыт опасен и трубки время от времени взрываются. Сам Майкл Фарадей от этого несколько раз пострадал.

Итак, приступим к экспериментам.