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

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

Получение жидкой закиси азота при разложении аммиачной селитры в изогнутой запаянной трубке

Закись азота - своеобразный двойник углекислого газа по физическим свойствам. В частности N₂O тяжелее воздуха и ограниченно растворима в воде. Подобно углекислому газу, закись азота можно перевести в жидкое состояние простым увеличением давления при комнатной температуре.

С другой стороны, жидкая закись азота может существовать только при повышенном давлении: если сильно охладить N₂O (без сжатия), газ перейдет в твердое состояние, не образуя жидкость.

Если открыть сосуд с жидкой закисью азота (которая находится под давлением) жидкий газ начнет активно испаряться, часть его перейдет в твердое состояние, образуя массу, похожую на снег. Это еще одна аналогия с CO₂: вспомните, что при испарении жидкого углекислого газа образуется твердый CO₂ - "сухой лед".

Не удивительно, что закись азота была в числе газов, которые были переведены в жидкое состояние в опытах Майкла Фарадея. Вот что пишет об этом Д.И. Менделеев в "Основах химии" ссылка.

Фарадей получил жидкую закись азота, как жидкий аммиак, нагревая сухую азотноаммиачную соль [нитрат аммония, аммиачная селитра] в запаянной стеклянной трубке, одна ветка которой охлаждается. В этом случае в охлаждаемой части трубки получается два слоя: внизу вода, а вверху сгущенная [сжиженная] закись азота. Этот опыт дОлжно проводить с большой осторожностью, потому, что давление закиси азота в сгущенном состоянии значительно, а именно...

Главное, на что следует обратить внимание в приведенном описании - это предостережение. При комнатной температуре (20°C) давление насыщенного пара закиси азота достигает значительной величины - 58.5 атмосфер. Критическая температура для закиси азота - плюс 36.4°C, критическое давление - 72.5 атмосфер. Опыт по сжижению закиси азота следует проводить с предосторожностями, при этом желательно хорошее охлаждение колена с жидким газом, чтобы уменьшить давление.

Итак, мы взяли оставшийся кусок толстостенной трубки (от 1 мл пипетки) и с помощью маленькой горелки запаяли в него немного измельченной аммиачной селитры (удобрение). Выбранная трубка удобна тем, что ее стенки очень толстые, а внутренний объем невелик. В пламени горелки данная трубка гнется очень легко.

Целью опыта было полностью разложить аммиачную селитру, получив слой воды и сжиженной закиси азота.

При нагреве селитра расплавилась, но из-за маленького диаметра трубки и обильного выделения газа расплав перебросило в холодное колено (результат перегрева). Трубка выдержала. Тогда мы решили рискнуть и, поменяв колена местами, начали греть. Повторив данную процедуру несколько раз, удалось нацело разложить селитру. Трубка выдержала это жесткое испытание. Грели мы довольно сильно, и иногда было заметно выделение бурых паров оксида азота (IV).

Вынув холодное колено трубки из воды со снегом, и слегка постучав пальцем (из предосторожности экспериментатор был в перчатках), удалось выгнать пузырьки газа. К большой радости жидкость была двухслойной: вверху расположился подвижный слой закиси азота, внизу - раствор азотной кислоты.

Если покачать трубку, станет заметно, что сжиженная закись имеет большую подвижность, чем вода. Когда трубку принесли в комнату, слой жидкого газа начал быстро "исчезать" - двухфазная жидкость превращалась в раствор закиси азота в воде под давлением.

Смотреть Видео (30 Мб, .avi)

В эксперименте по получению жидкого углекислого газа запаянная трубка представляла собой обратимую систему: стоило прекратить нагрев, жидкий газ испарялся и вступал в обратную реакцию с водой и карбонатом натрия (возможно, не полностью). Образовывался гидрокарбонат. При повторном нагреве гидрокарбонат натрия снова разлагался и в холодном колене конденсировался жидкий углекислый газ.

В отличие от гидрокарбоната натрия, нитрат аммония разлагается необратимо: вода и закись азота ни при каких условиях не будут реагировать, давая аммиачную селитру. Однако процесс конденсации и испарения закиси азота обратим (аналогично углекислому газу). Если прекратить охлаждение колена, где конденсировались закись азота и вода, и двухфазная смесь перейдет в раствор закиси азота в воде. Однако стоит полностью перелить раствор закиси азота в одно колено и опустить его в кипяток, а противоположное колено поместить в холодную воду (желательно - со льдом) и можно заметить интересное явление перегонки. Раствор "кипит", а в холодном колене конденсируется закись азота.

Наблюдать за этим процессом довольно интересно - несмотря на серьезную опасность взрыва. Вынув трубку из воды и перелив жидкий веселящий газ, мы видим его моментальное кипение и испарение. Стоит вернуть трубку в горизонтальное положение, как "из ниоткуда" образуется облачко тумана и струится конденсирующаяся закись азота. При непосредственном наблюдении испарение и конденсация видны довольно четко, но снять на видео их удалось с трудом.