Огненный воздух

ПОЛУЧЕНИЕ ЧИСТОГО КИСЛОРОДА

Читатель помнит, что азот и кислород, входящие в состав атмосферного воздуха, имеют различную температуру кипения. Жидкий азот начинает кипеть и испаряться уже при температуре около 196 градусов ниже нуля, в то время как температура кипения кислорода на 13 градусов больше, и он начинает испаряться из жидкой воздушной смеси позже, чем азот. Поэтому пары кипящего жидкого воздуха всегда содержат больше азота, чем сама испаряющаяся жидкость. Благодаря преимущественному испарению азота состав жидкого воздуха непрерывно меняется. Содержание кислорода в нем увеличивается. Жидкость обогащается кислородом.

Однако при простом испарении получить чистый кислород и целиком избавиться от азота, не удается: азот остается даже в последней капле испаряющегося жидкого воздуха. А для многих процессов в науке и промышленности необходимо иметь чистый кислород. Поэтому перед учеными была поставлена задача наиболее полного разделения воздуха на кислород и азот. И эта задача была успешно решена.

Ученые проделали такой опыт. В сосуд, наполненный жидким воздухом (рис. 8), они погрузили стеклянную трубку и начали пропускать через нее газообразный кислород.

^{Рис. 8. Газ, выделяющийся при пропускании кислорода через жидкую воздушную смесь, тушит спичку. Это — азот.}

Пузырьки газа поднимались вверх и собирались в пробирку. Каково же было удивление исследователей, когда горящая спичка, внесенная в пробирку с собранным газом, мгновенно погасла! В пробирке оказался азот, не поддерживающий горения. Как же это произошло? Почему пузырьки кислорода неожиданно превратились в азот?

Виной всему оказалась разница в температурах ожижения азота и кислорода. Газообразный кислород, попадая в жидкость с температурой более низкой, чем температура его испарения, сам превращается в жидкость. При этом за счет поступившего с ним тепла из жидкой воздушной смеси испаряется некоторое количество азота, покидающего жидкость в виде пузырьков газа. Это интересное явление и привело ученых к созданию так называемого ректификационного аппарата — специального устройства для разделения жидкого воздуха.

Ректификационный аппарат представляет собою высокую металлическую колонну, снабженную большим количеством специальных тарелок с сетками или колпачками. Схема действия такой колонны с сетчатыми тарелками представлена на рисунке 9.

^{Рис. 9. Схема действия ректификационного аппарата — специального устройства для разделения жидкого воздуха.}

Каждая тарелка снабжена сливным стаканом, по которому жидкость переливается с верхней тарелки на нижнюю. Пары испаряющегося жидкого воздуха, содержащие азот и кислород, поднимаются вверх. При этом они свободно проходят через мельчайшие отверстия сеток, препятствуя жидкому воздуху стекать через эти отверстия. Кислород, содержащийся в парах, постепенно конденсируется. Вследствие этого на тарелках накапливается жидкость, излишек которой стекает вниз через сливные стаканы.

Чем длиннее путь пузырьков пара сквозь жидкость и чем больше тарелок вмещает ректификационная колонна, тем чище получится азот, выходящий из ее верхней части, тем меньше примесей будет содержать кислород, остающийся в жидком виде в нижней части колонны. Поэтому современные колонны для разделения воздуха представляют собою высокие сооружения — в 5–6 и более метров; они снабжаются десятками тарелок.

Специальные устройства в ректификационном аппарате позволяют не только разделять жидкий воздух на азот и кислород, но и отделять от воздушной смеси еще одну важную составляющую часть — аргон. Этот газ широко используется для наполнения электрических ламп, а также в других отраслях промышленности.

Современные разделительные аппараты дают возможность получать газ, содержащий до 99,9 процента азота, и кислород почти такой же чистоты.