"Постоянные газы"


Чтобы получить аргон, азот или кислород в чистом виде для технических целей, надо предварительно произвести сжижение воздуха, а уж жидкий воздух далее разделить на его составные части.

Сжижение воздуха — одна из интереснейших страниц в истории науки и техники. Еще 100 лет назад получение жидкого воздуха казалось очень многим серьезным ученым утопией, не меньшей фантазией, чем путешествие на Марс. Но более проницательные естествоиспытатели, изучая природу окружающих явлений, уже очень давно отметили интересный факт. Если взять какую-либо обычную жидкость и ее нагреть, то она превратится в пар, столь же подвижный и легкий, как воздух. Наоборот, если начать охлаждать эти пары, они легко сгущаются, превращаясь опять в свое исходное жидкое состояние.

Из этих наблюдений напрашивается сам собой вывод, а не является ли также и воздух паром какой-либо смеси летучих жидкостей, кипящей при очень низкой температуре, для которой, следовательно, температура окружающего нас воздуха является очень высокой и при которой вся эта смесь превращается в пар?

Эту мысль в наиболее образном виде выразил Лавуазье. Он писал так: «Если бы Земля попала внезапно в среду с очень низкой температурой, подобной, например, температуре Юпитера или Сатурна, — вода, которая ныне образует наши реки и моря и, вероятно, значительное большинство из известных нам жидкостей, превратилась бы в горы и твердые скалы. В этом случае воздух или, по крайней мере, часть газов, его составляющих, изменили бы свое состояние, превратившись в жидкость из невидимого газа, который существует благодаря нахождению в среде с достаточно высокой температурой, при этом переходе воздуха из одного состояния в другое образовались бы доселе даже не предугадываемые жидкости».

Лавуазье в своих представлениях был прав. Возьмем какую-либо жидкость, поместим ее в открытый сосуд и начнем нагревать. Температура жидкости начнет расти, и как только она достигнет температуры кипения, дальнейший рост температуры прекратится и при этой температуре вся жидкость превратится в пар. Следовательно, при атмосферном давлении ни одна жидкость не может существовать при температуре, превышающей ее точку кипения. Отсюда можно сделать обратный вывод, что если бы мы сумели, сильно охлаждая воздух или другой газ, достигнуть его температуры кипения и затем еще немного охладить его ниже этой температуры, он обязательно весь превратился бы в жидкость.

Вскоре ученые на опыте убедились в правильности этих рассуждений. Уже в конце XVIII века путем простого охлаждения удалось превратить в жидкость такой газ, как сернистый ангидрид. Но физикам XVIII века и первой половины XIX века казалось невозможным достигнуть такой низкой температуры, при которой даже воздух превратился бы в жидкость. Начались поиски обходных путей.

Мы уже указали, что жидкости на открытом воздухе, то есть при атмосферном давлении, не могут существовать при температуре выше их точки кипения: они при этой температуре выкипают, превращаясь в пар. Но попробуем поместить жидкость, например воду, в котел и создадим там некоторое давление, например 50 атмосфер, и при этом давлении начнем нагревать воду. Поднимем температуру до 100 градусов. При этой температуре, как мы знаем, вода кипит полностью, превращаясь в пар. Но если мы будем наблюдать за поведением воды в нашем котле, то мы тотчас же убедимся, что вода при этой температуре даже далека от кипения. Она не закипит и при 200 градусах. И лишь при температуре 265 градусов она начинает закипать. И чем выше давление в котле, тем выше температура, при которой закипит вода в котле. Этот опыт убедительно показал, что таким способом можно искусственно заставить кипеть жидкость при нужной температуре. Физики решили использовать это явление при сжижении газов, заменив труднодостижимые низкие температуры высоким давлением. Они рассуждали при этом примерно так. Воздух — это жидкость, которая кипит при очень низкой температуре. Если мы заключим жидкий воздух в герметически закрытый, достаточно прочный сосуд и начнем подвергать его действию высокого давления, то, очевидно, мы можем подобрать такое давление, при котором жидкий воздух сохранился бы жидким и начал бы кипеть только при обычной температуре. Следовательно, и наоборот, сжимая воздух до такого высокого давления или даже выше, мы могли бы превратить воздух сначала в насыщенный пар, а затем и в жидкость. Опыты с другими газами вскоре подтвердили верность этих рассуждений. В 1823 году знаменитый английский физик Фарадей превратил в жидкость таким способом газ хлор, а затем, применяя давление в 17 атмосфер, газ сернистый водород; применяя давление в 50 атмосфер, он сжижил газообразную закись азота. Фарадей превратил в жидкость многие газы, однако пять газов, в числе которых был воздух, азот и кислород, он превратить в жидкость не смог.

Многие физики решили, что неудача Фарадея заключалась в том, что он применял слишком незначительное давление, всего 50 атмосфер. Поэтому, охлаждая эти газы даже до минус ПО градусов по Цельсию, он все же не смог достигнуть их температуры сжижения. Начали повышать давление. Сначала было достигнуто давление порядка 400 атмосфер, затем 780, наконец в 1854 году удалось достигнуть давления 2800 атмосфер. При таком давлении эти газы становились более плотными, чем вода, но все же оставались газами и не сжижались. Тогда их назвали «постоянными газами» и решили, что превратить их в жидкость невозможно. Но это было поспешное решение.

Ученые, сделавшие заключение, что воздух, азот, кислород и некоторые другие газы нельзя превратить в жидкость, думали, что они полностью познали свойства этих газов. На самом деле это было заблуждение, их познания были приблизительны, неполны, и дальнейшие научные исследования показали корень их ошибок. Путем опытов удалось обнаружить такие новые свойства газов, использование которых и позволило найти способы их сжижения.