月刊ポピュラーサイエンス/第12巻/1878年3月号/気体の液化I
気体の液化[1]
ガストン・ティサンディエ著
自然界のさまざまな物体を構成する物質は、固体、液体、気体という3つの異なる形態で存在することは誰もが知っていることである。固体は溶けて揮発し、液体は固体になったり蒸気になったり、気体は液体や固体に変化する。これらの変化はすべて、固体、液体、気体が受ける温度や圧力の条件に従って起こる。水は寒さで氷になり、熱で蒸気になる。硫黄、リン、金属、およびほとんどの固体は、同様にこの3つの状態をとることができる。塩素、窒素のプロトキシド、炭酸なども液化したり、固化したりすることがある。このためには、分子を圧縮したり、冷気を与えたりして、分子同士を近づけるだけでよい。
ファラデーは、圧縮と冷凍によってある種の気体を液化することに成功したが、それでもなお、最も強力な手段に対して絶対的に不応性を示す気体がいくつか残っており、それゆえ、これらの気体は永久気体と呼ばれることになった。水素、窒素、酸素、酸化炭素、窒素の二酸化物、ホルメン（湿地ガス）などがそうである。化学者たちは、これらの気体も他のすべての気体と同様に、一般的な物体の法則に従うと確信していたのは事実である。今挙げた気体も他の気体と同様に、十分に高い圧力や冷凍に屈すると考えられていた。しかし、それでも気体は依然として "sui generis "であり、いわば化学者の力を拒んでいた。気体の状態変化は、重苦しい問題であり、その解決は、周囲にある困難と比例して、いっそう魅力的であった。ベルテロは、800気圧という高圧と摂氏零度以下100度という低温にガスを晒したが、すべては無駄であり、永久ガスはその名前を正当化するものであった。
しかし、すべては無駄であった。引退した製造業者であり、同時に優れた科学者でもあるM.カイエが、永久気体を液化し、固化することに成功し、永久気体を制圧したのである。この成果は、現代における最も興味深い成果の一つであり、科学による物質の新たな、そして偉大な征服と見なされることは疑いない。
ほぼ同じ時期に、もう一人の独創的な研究者であり発明家であるラウル・ピクトが、酸素ガスに関しても同じ結果に到達している。以下、順次、ピクテの実験について説明する。この二人の化学者の実験を、カイエの実験から順に見ていくことにしよう。図1は、カイエがシャティヨン・シュル・セーヌにある彼の店で作った大きな装置である。この装置は、鋼鉄製の中空の円筒Aを鋳鉄製のベッドの上にクランプB Bでしっかりと固定したもので、プランジャー・ピストンとして機能する焼き戻ししていない鋼鉄製の円柱状の棒が、水で満たされていなければならないこの円筒に入り込んでいる。この棒の反対側の先端は、四角いねじに結ばれており、車輪Mに取り付けられた青銅製のナットFを通過している。その円周にあるピンを使って車輪に与えられる方向によって、プランジャーピストンはポンプバレルの軸方向に前進または後退させることが可能です。圧縮された液体がシリンダーから漏れないように、皮のパッキンが付いている。
水や圧縮する液体を導入するときは、装置内部と連通するガラスコップGに注ぎます。円錐形の先端を持つ鋼鉄製のスクリューが、液体が入る狭い通路を塞いでいる。このネジは、ハンドルピンの付いた小さな車輪Oで終わっている。この仕組みによって、圧縮された気体を突然放出し、気体の入った毛細管ガラス管に濃い霧ができるのを見ることができる。(この管はシリンダーmの中央に見える。）霧は、突然の圧力除去によって生じる外部の寒さの影響で形成され、これまで永久的なものと見なされてきた気体の液化、あるいは凝結の確実な兆候である。
aは、900気圧から1000気圧の圧力に耐えられる鋼鉄製の蓄圧機で、金属の毛細管で圧縮装置とつながっている。ピストンの圧力でシリンダー内の水はこの貯水池に入り、水銀に作用して気体を圧縮する。
bは、実験中の気体を保持するためのガラス器具を受けるアジュテージで、貯水池の上部とナットで接続されている。図2は、この部分の配置を実際の半分の大きさで表したものである。
mは火打ちガラスの円筒で、もう一つのガラスの円筒を内包しており、その中央にはガスを液化させるための細い管が見える。このように毛細管は、冷凍混合物や液体窒素原液で取り囲むことができる。外筒mは内筒と同心で、水分に親和性の強い物質が入っており、冷却された管に氷や蒸気が付着して観察に支障をきたすのを防いでいる。
pはリザーバーaを保持する鋳鉄製の台で、ネジdは分光学的検査のためにリザーバーを上下させたり、実験をスクリーンに映し出すのに使用するものである。
アジュタージュSは、圧力を装置の各部分に伝達する金属製の毛細管をつなぎ合わせている。
Nは、シャティヨン・シュル・セーヌの研究所近くの丘の斜面にある開放型マノメーターで検証された、改良型トマセットマノメーターです。
N'はガラス製のマノメーターで、水銀器具の測定値を確認するためのものです。
ガスが圧縮されているガラス管の表面は非常に小さく、万が一割れても重大な結果にはならないからです。
数年前、イギリスの物理学者トーマス・アンドリュースは、永久気体には圧力と温度の臨界点が存在し、それ以上では液体状態にすることができないと推論している。この意見は、カイエの実験によって確かなものとなった。それぞれの気体には、ある圧力とある温度の低下が必要である。この二つの条件のどちらか一方だけを用いても、たとえそれが高い強度に達したとしても、何の効果もないのである。
カイエが最初に液化した永久ガスは、窒素の二酸化物であった。先に述べたように、圧縮と低温という2つの条件が臨界点に従って一致しなければ、この気体は液化しない。したがって、窒素の二酸化物は270気圧の圧力と8℃の温度で気体のままであった。ホルメンや湿原ガスは、180気圧、＋7℃で液化する。
「カイエは言う、「圧縮装置の中に酸素や純粋な炭酸ガスを入れ、約300気圧の圧力で亜硫酸の助けを借りてこれらのガスを-29℃まで下げると、どちらのガスもまだ気体の状態を保っている」。しかし、ポアソンの式にしたがって、出発点より少なくとも200°低い温度で突然放出すると、酸素や炭酸が液化、あるいは固化することによって、すぐに重い霧が発生するのが見える。同じ現象は、強い圧力をかけられた炭酸、窒素のプロトキシドやバイオキシドを放出するときにも観察される」[2]。
これらの結果を得た後、12月31日のアカデミーの会合で、カイエテは他の永久ガスに完全な勝利を収めたと発表した。デュマは、この有能な実験者が窒素、大気、そして最も難燃性の気体であるはずの水素そのものを液化することに成功したと、その場にいた会員に報告したのである。
Comptes Rendusから以下の詳細を引用する。
純窒素または乾燥窒素を約200気圧、ほぼ13℃の温度で圧縮し、突然放出すると、非常にはっきりとした凝縮状態になる。最初に粉砕された液体に似たものが、かなりの体積の滴となって現れ、その後この液体は管の壁から徐々に消えていく。
この現象は3秒以上続く。この現象は3秒以上持続する。このような様子から、この現象の真の性格に関するあらゆる疑問が取り除かれる。カイエはこの実験をまず自宅で29℃の温度で行ったが、師範学校の実験室で数人の科学者の立会いのもとで何度も繰り返した。
水素は、その密度の低さと、機械的性質が完全気体のそれとほぼ完全に一致していることから、気体の中で最も耐火性の高いものと見なされてきた。それゆえ、カイエがこの気体を、他のすべての気体を液化させたのと同じ実験にかけたのは、好ましい結果が得られるとはとても思えなかったからである。
「しかし、実験科学の分野ではよくあることだが、現象を観察する習慣がつくと、それまで全く気づかなかった特異性に気づくようになる。水素の場合もそうだった。12月31日、ベルテロ、サントクレアデビル、マスカートの各氏の立会いのもとで実験を繰り返したところ、水素の液化の兆候を観察することに成功したのだが、このことは専門家の証人にとっては疑いの余地がないように思われた。
「この実験は何度も繰り返された。水素は280気圧の圧力下に置かれ、その後放出されると、極めて微細で微妙な霧に変化し、管の全長に渡って浮遊し、その後突然消失する。この霧の生成は、その極めて微妙な性質にもかかわらず、この実験に立ち会ったすべての科学者にとっては議論の余地がないように思われ、その事実に関して疑いの余地のないような条件のもと、慎重に何度も繰り返された" 。 空気-「窒素と酸素を液化したことで、大気中の空気の液化は事実上証明された。しかし、私はこのことを直接実験してみようと思った。空気はまず乾燥させ、炭酸の痕跡をすべて取り除いておいたことは言うまでもない。このようにして、近代化学の創始者であるラヴワジエが、新しい未知の性質を持つ液体を作り出すことによって、空気を流動性の状態にすることが可能であると考えていたことが、正しく証明されたのです」とカイエは付け加えている。
液体の空気を作る力は、応用科学に新しい地平を開くものであることは明らかである。純粋に科学的、哲学的な見地から、カイエットの実験が最も重要であることを証明する必要はないだろう。
最後に、カイエの方法に従って気体を液化する方法を示すために、デュクレが製作した小さな講義室または実験室の装置の説明をもって、この記事を終わります。この装置はシャティヨン・シュル・セーヌにある装置の重要な部分をコピーしたものです。ベル・グラスは改造されている。スクリュープレスも、ここではより可搬性の高いポンプで表現されている。添付の図、これは を見れば、カイエの考案したシステムをより詳しく説明することができるだろう。
T Tは圧縮する気体の入ったガラス管で、気体の流れを通し、大気中の空気をすべて追い出す。このため、まずガラス管を水平に置き、実験に使うガスを流した後、ランプでガラス管の先端を閉じ、もう一方の先端を指で閉じて、図のように鉄製の器具の中に垂直に導入。管は水銀の入った円筒形の貯水池に浸る。管の上部はガラス円筒Mで囲まれ、大きな装置と同じように凍結混合液で満たされている。管TUは，手で操作する圧縮ポンプに接続され，圧力の程度を示すマノメーターが備え付けられている。ポンプで圧縮された水は、図に見られるように水銀の表面に作用する。この水銀はこうして管 T T に押し込まれ、気体が占める空間 a b を減少させ、やがてその上部に圧縮された気体の小滴を帯び、これが結合して少量の液体 b を形成する。
この装置の主な部品は，B は非常に丈夫な壁のある錬鉄製の箱，E E' は実験を始める前に装置を調整するためにねじ切ることができるナット，A はアジュテージ，P P は装置を支える 3 本の非常に丈夫な足のうちの 2 本，S はベルガラス G とシリンダー M の支え，N は水銀が装置に注がれている間に通路 R の口を止めるための補助ネジであ る。
管Tの下端を拡大したものは、内外で等しい圧力を受けており、破断することはないことに注意したい。内圧に耐えなければならないのは管の上部だけであるが、その壁は非常に丈夫である。
この実験は、ドラモンド・ライトを使ってスクリーンに映し出すことができる。この装置は非常に簡単で、多くの気体を液化することができる。肉眼で液化のすべての段階を観察することができ、しかも何の危険も伴わない。したがって、この装置は大学でも講義室でも、研究および教育に大きな役割を果たす運命にある。
脚注
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