СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Вернемся на несколько лет назад, в 1823 год, когда, используя сжатие и охлаждение, Фарадей смог добиться сжижения различных газов — хлора, диоксида водорода, сульфгидрильной кислоты — и опубликовал первое серьезное исследование по сжижению газов, что было его важнейшим открытием в области химии. Ученый также стал пионером криогенеза и первым получил температуру ниже 100 градусов по Фаренгейту.

Процесс сжижения газов состоит в общем виде из нескольких этапов, включающих изменение температуры и давления для перевода вещества из газообразного состояния в жидкое. Уже в 1681 году Дени Папен установил, что вода в закрытой емкости остается в жидком состоянии даже при превышении температуры кипения 100 ?С. С тех пор велись исследования, чтобы выяснить роль давления и температуры в процессах сжижения газов. В 1783 году Джеймс Уатт, создатель первой паровой машины, открыл, что латентное тепло парообразования (или энергия, необходимая для перехода из жидкого состояния в газообразное) изменяется с увеличением давления.

При увеличении давления и повышении предела точки кипения Уатт наблюдал, что латентное тепло постепенно уменьшается до достижения предела, в котором практически пропадает.

* * * 

Газовые законы

Основное отличие газа от твердых или жидких веществ состоит в том, что его молекулы находятся далеко друг от друга и перемещаются во всех направлениях. Ян Баптист ванн Гельмут ввел термин газ на основе греческого слова хаос («беспорядок»). Постепенно ученые пришли к выводу, что поведение газов можно изучить на основании отношений между их температурой, давлением и объемом. С XVII века начали устанавливаться первые газовые законы.

— Закон Бойля — Мариотта, сформулированный Робертом Бойлем и Эдмом Мариоттом в XVIII веке, утверждает, что для определенного количества газа при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален давлению данного газа.

— Закон Шарля — Гей-Люссака, сформулированный французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1802 году, утверждает, что для определенного количества газа при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален температуре данного газа и для определенного количества газа при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его температуре.

— Закон Авогадро, сформулированный Амедео Авогадро в 1811 году, утверждает, что при одинаковых условиях давления и температуры одинаковые объемы разных газов содержат одинаковое количество молекул.

— Закон Грэма, сформулированный Томасом Грэмом в 1829 году, утверждает, что движение молекул двух или более газов дает в результате смешение молекул, в закрытой емкости такое смешение быстро образует гомогенную массу. Однако этот процесс меняется при наличии возможности для газа выйти из емкости через маленькие отверстия, или поры (так называемая эффузия газа). Скорость эффузии газов обратно пропорциональна квадратному корню плотности газа.

* * * 

Фарадей знал о возможности сжижения газов: с 1799 года — аммиака (NH₃) с помощью сжатия или охлаждения, с 1800 года — диоксида серы (SO₂) с помощью охлаждения, хлора (Cl₂) с помощью сжатия. В 1823 году ученый осуществил серию экспериментов, являющихся первой попыткой систематизировать исследования по сжижению газов. Во время этих экспериментов были сжижены диоксид углерода (CO₂), диоксид серы (SO₂), оксид азота (N₂O), этилен (C₂H₄), моноксид азота (NO), аммиак (NH₃), хлоргидридная кислота (ClH), хлор (Cl₂), сульфгидрильная кислота (SH₂), цианистоводородная кислота (CNH). Также он смог добиться сжижения водорода (H₂), кислорода (O₂), азота (N₂) и моноксида углерода (CO).

В 1845 году Фарадей вернулся к своим экспериментам и пришел к выводу: при достижении определенной температуры маловероятно, что увеличение давления, за исключением очень больших скачков, превратит газ в жидкость. Хотя он рассматривал и другую возможность — что некоторые газы, которые он не смог превратить в жидкость, являются постоянными, то есть газами, сжижение которых невозможно. Сегодня известно, что все газы можно подвергнуть сжижению. В 1869 году ирландский химик Томас Эндрюс (1813–1885) открыл, что диоксид углерода можно превратить в жидкость под давлением при температуре ниже 31 ?С. Выше этой температуры невозможно достичь давления, которое могло бы превратить этот газ в жидкость.

Все эксперименты подкрепляли атомные гипотезы той эпохи. В случае с водой, например, объяснялось, что плотность жидкости выше плотности газа, соответственно при сжатии газа возможно сжать или приблизить друг к другу атомы, при этом будет «выжиматься» теплота. Также существовало мнение, что можно сжижать вещества при достаточном охлаждении на основании того, что при нагревании они испаряются. В течение XIX и первой половины XX века было выяснено: все вещества могут становиться твердыми или, по крайней мере, сжижаться до достижения температуры -273?C, что является наименьшей теоретически возможной температурой.

^{Портрет Фарадея, написанный в 1842 году Томасом Филлипсом.}

^{Безопасная лампа, изобретенная Гемфри Дэви.}

^{Аппарат для сжижения газов, придуманный Луи-Полем Кайете. Гравюра опубликована в журнале Scientific American в 1878 году.} 

В заключение можно сказать, что все газы могут быть сжижены, но существуют температурные пределы, выше которых сжижение некоторых газов невозможно даже при воздействии на них колоссальным давлением. Этот предел называется критической температурой газа. Также существует величина критического давления, измеряемая в атмосферах[1], определяющая необходимую величину давления для сжижения газа при его критической температуре.

Так, для углекислого газа критическая температура равна 31?С, критическое давление — 73 атмосферам; для кислорода — 119?C и 50 атмосфер; для азота — 147?C и 34 атмосферы; для аммиака — 132?С и 112 атмосфер.