Jak vyrobit kapalný kyslík?

Příběh o zkapalňování kyslíku se nakonec změnil v rivalitu. Ale kdo zvítězí: inženýr, který celý život pracoval v metalurgickém závodě, nebo specialista na fyziku nízkých teplot na univerzitě v Ženevě? Vyhraje led nebo oheň, teorie nebo praxe, Eiffelova věž nebo Suezský průplav? Přečtěte si o tom v sekci „Historie vědy“.

Tekutý kyslík nalitý spíše do kádinky než do Dewarovy baňky vás překvapí krásnou modrou barvou. Tato barva je doslova modrou oblohou – vždyť tento plyn tvoří 21 % vzduchu. Ale první, kdo ji obdržel, byl zcela přízemní inženýr a majitel továrny, který nebyl zvyklý vznášet se v oblacích se sny.

Louis-Paul Cayette se narodil v Burgundsku, v malebné obci Chatillon-sur-Seine. Tam započal školní vzdělání, pokračoval v Paříži a poté nastoupil se svým bratrem Kamilem do Hornického ústavu. Tam se v chemické laboratoři Louis setkal s mnoha budoucími celebritami francouzského vědeckého světa. Po absolvování vysoké školy podnikli bratři několik cest do Anglie, Rakouska a Německa, také za vzdělávacími účely: viděli tam nejmodernější vysoké pece a válcovny a seznámili se s nejmodernějším zařízením. Celý život však nebylo možné studovat vědu sám: otec a děd mladých lidí zestárli a doma, v Burgundsku, potřebovali pomoc při práci v hutnickém závodě.

Ale ani tam Louis nezastavil vědecký výzkum. Nejprve začal studovat procesy spalování dřeva v kamnech a ukázal, že tento proces vede k uvolňování oxidu uhličitého. Měl slabost i pro botaniku: svůj volný čas věnoval svému malému skleníku, kde pěstoval vzácné orchideje a begónie, díky čemuž dokonce publikoval několik článků o fyziologii rostlin.

Poté, co jeho bratr zemřel na tuberkulózu a jeho otec a děd zestárli v 1860. letech XNUMX. století, zůstal Louis-Paul Cayété jediným vlastníkem závodu. Ale to jen urychlilo jeho výzkum. Začal studovat tavení železa a účast různých plynů v něm. Aby vědec pochopil procesy v tavicích pecích, potřeboval změřit teplotu a tlak. Stávající přístroje však nefungovaly v širokém rozsahu teplot a tlaků a Cayete zasvětil desetiletí a půl svého života vylepšování tlakoměrů a teploměrů a také studiu závislosti objemu plynů na tlaku a teplotě. popsaný Boyle-Mariottovým zákonem.

V roce 1870 si v přízemí skleníku vybudoval laboratoř vybavenou výkonným hydraulickým čerpadlem pro studium chemikálií při vysokém tlaku a teplotě. Výsledkem jeho práce byl tlakoměr schopný měřit tlak až 400 atmosfér. V roce 1891 dokonce instaloval svůj tlakoměr na Eiffelovu věž.

READ

Jak připravit semínka rajčat na zimu?

Poté se Cayete začal zajímat o stlačování plynů a rozhodl se je získat v kapalné formě. V listopadu 1877 prováděl pokusy se zkapalňováním acetylenu a oxidu dusičitého, nejprve je stlačil pod vysokým tlakem a poté je ochladil jinými zkapalněnými plyny. Cayete použil Joule-Thompsonův jev s vědomím, že pokud zmrazíte plyn pod vysokým tlakem a poté jej necháte rychle expandovat, teplota plynu ještě více klesne.

Cayetův přístroj pro zkapalňování plynů

Zařízení ale bylo nedokonalé a nedokonale utěsněné, takže spálený plyn unikal ven. A teprve podle malého obláčku v nádobě pochopil, že experimenty byly úspěšné. Před zveřejněním výsledků Cayete zkontroloval, zda nečistoty v acetylenu nezpůsobují tvorbu mraků. Jenže, jak se ukázalo, chemicky čistý acetylen z nejlepších pařížských chemických laboratoří se choval úplně stejně. Zkapalnit acetylen ale nebylo těžké, což se nedá říct o vodíku (s tím by si mimochodem Kayete nikdy neporadil – jeho aparatura nedokázala tento plyn ochladit na požadované teploty, cca -200°C) .

Povzbuzen prvním úspěchem začal Louis-Paul Cayette pracovat na zkapalňování atmosférických plynů. Rozhodl se začít s kyslíkem. Experimentální schéma bylo podobné: nejprve vědec zvýšil tlak v nádobě na 300 atmosfér, poté ochladil plyn na -29 °C a poté jej donutil expandovat pomocí par oxidu siřičitého. A opět se ukázalo, že jde o mrak kapek, které kondenzovaly v důsledku ochlazení. Cayete předložil svou zprávu Akademii věd 24. prosince. Tam ho ale zastihla nepříjemná zpráva: ukázalo se, že jiný vědec jim už před dvěma dny poslal telegram o zkapalňování kyslíku.

Tímto vědcem byl ženevský fyzik Raoul Pictet. Byl třetím z pěti potomků staré švýcarské rodiny. Pictet, který studoval v Paříži, byl již sedm let vedoucím katedry na univerzitě v Ženevě, kde studoval fyziku nízkých teplot. Předtím stihl pracovat v Egyptě při stavbě Suezského průplavu, reorganizaci vzdělávacích institucí v této zemi.

Na rozdíl od svého francouzského rivala se sám nezabýval inženýrstvím ani aplikovanou vědou, i když věřil v důležitost vzdělání v obou oborech. Navzdory tomu měl nepochybně vynalézavý talent: již ve 23 letech zkonstruoval chladicí jednotku, která vyráběla 15 kilogramů ledu za hodinu. Pictetova myšlenka, že chladicí jednotky by měly obsahovat směs dvou látek, byla dále rozvíjena a v praxi využívána při tvorbě chladniček a kryogenních zařízení.

READ

Jak vyrobit čistý led doma?

Laboratoř Raoula Picteta

Metody výroby zkapalněného kyslíku podle Cayette a Picteta se lišily: Švýcaři podrobili kyslík kompresi na 320 atmosfér, ochlazení na -140 °C pomocí par kyselin siřičitých a uhličitých (v podstatě oxidů síry (IV) a oxid uhličitý). Ale co je nejdůležitější, obě metody fungovaly a ve skutečnosti byly Cayetovy experimenty korunovány úspěchem dříve, a to navzdory skutečnosti, že sestavení zprávy trvalo dlouho.

Henri Deville, francouzský fyzikální chemik, který vyvinul průmyslovou metodu výroby hliníku a učitel na Sorbonně, pomohl vyřešit spor. Zavedl také teorii disociace – rozkladu hmoty při zahřátí – a pro Mezinárodní komisi pro váhy a míry v roce 1872 vyrobil etalony metru a kilogramu ze slitiny platiny a iridia. Nebylo možné neposlouchat tak vlivného vědce. Na čí straně tedy byl? Ukázalo se, že Deville, přítel Cayete, od něj obdržel dopis s datem 2. prosince s přesným a úplným popisem experimentu se získáváním kyslíku. Když se objevily neshody, Henri Deville okamžitě doručil důkazy tajemníkovi Akademie věd. Louis-Paul Cayette se tak stal známým jako první vědec, který získal kyslík v kapalné formě.

Kyslík se objevil v zemské atmosféře se vznikem zelených rostlin a fotosyntetických bakterií. Díky kyslíku provádějí aerobní organismy dýchání nebo oxidaci. V průmyslu je důležité získávat kyslík – využívá se v hutnictví, lékařství, letectví, národním hospodářství a dalších odvětvích.

Obsah

Vlastnosti
Jak se dostat?
Jak se přihlásit
co jsme se naučili?

Vlastnosti

Kyslík je osmým prvkem periodické tabulky. Je to plyn, který podporuje hoření a okysličuje látky.

Rýže. 1. Kyslík v periodické tabulce.

Kyslík byl oficiálně objeven v roce 1774. Anglický chemik Joseph Priestley izoloval prvek z oxidu rtuťnatého:

Priestley však nevěděl, že kyslík je součástí vzduchu. Vlastnosti a přítomnost kyslíku v atmosféře později určil Priestleyho kolega, francouzský chemik Antoine Lavoisier.

Obecná charakteristika kyslíku:

bezbarvý plyn;
nemá vůni ani chuť;
těžší než vzduch;
molekula se skládá ze dvou atomů kyslíku (O₂);
v kapalném stavu má bledě modrou barvu;
špatně rozpustný ve vodě;
je silné oxidační činidlo.

READ

Jak vzít lopuch na léčbu?

Přítomnost kyslíku lze snadno zkontrolovat spuštěním doutnající třísky do nádoby obsahující plyn. V přítomnosti kyslíku pochodeň vzplane.

Jak se dostat?

Existuje několik známých způsobů výroby kyslíku z různých sloučenin v průmyslových a laboratorních podmínkách. V průmyslu se kyslík získává ze vzduchu jeho zkapalňováním pod tlakem a při teplotě -183°C. Kapalný vzduch je podroben odpařování, tzn. postupně zahřívat. Při -196 °C se dusík začíná odpařovat a kyslík zůstává kapalný.

V laboratoři vzniká kyslík ze solí, peroxidu vodíku a v důsledku elektrolýzy. Při zahřívání dochází k rozkladu solí. Například chlorečnan draselný nebo bertholitová sůl se zahřeje na 500 °C a manganistan draselný nebo manganistan draselný se zahřeje na 240 °C:

Rýže. 3. Zahřívání Bertholletovy soli.

Kyslík můžete také získat zahřátím dusičnanu nebo dusičnanu draselného:

Při rozkladu peroxidu vodíku se používá oxid manganatý (IV) – MnO₂uhlíkový nebo železný prášek jako katalyzátor. Obecná rovnice vypadá takto:

Roztok hydroxidu sodného prochází elektrolýzou. V důsledku toho se tvoří voda a kyslík:

Kyslík je také izolován z vody pomocí elektrolýzy, rozkládá se na vodík a kyslík:

Na jaderných ponorkách se kyslík získával z peroxidu sodíku – 2Na₂O₂ + 2 CO₂ → 2Na₂CO₃ + O.₂↑. Metoda je zajímavá, protože oxid uhličitý je absorbován spolu s uvolňováním kyslíku.

Jak se přihlásit

Sběr a rozpoznání jsou nezbytné pro uvolnění čistého kyslíku, který se v průmyslu používá k oxidaci látek, a také pro udržení dýchání ve vesmíru, pod vodou a v zakouřených místnostech (kyslík je nezbytný pro hasiče). V lékařství pomáhají kyslíkové láhve pacientům s dýchacími potížemi dýchat. Kyslík se také používá k léčbě respiračních onemocnění.

Kyslík se používá ke spalování paliv – uhlí, ropa, zemní plyn. Kyslík je široce používán v metalurgii a strojírenství, například pro tavení, řezání a svařování kovů.

co jsme se naučili?

Kyslík je bezbarvý plyn nezbytný pro dýchání a používaný v průmyslu. Kyslík se získává zkapalňováním a odpařováním vzduchu, elektrolýzou vody nebo hydroxidu sodného a izoluje se ze solí a peroxidu vodíku. Kyslík se používá k podpoře dýchání v místech s omezenými nebo žádnými zásobami kyslíku a v průmyslu při spalování paliv a výrobě kovů.