"В Мастерской Природы", №5, май 1927 год, стр. 34-40

Технические применения воздуха.

М. Дмитриева.

Атмосферный воздух состоит из 78% азота, 21% кислорода, 1% благородных газов и 0,04% углекислоты. Хотя он не есть химическое соединение, а только смесь, тем не менее при нормальных условиях никогда не наблюдается сколько нибудь значительных отклонений от приведенных отношений, безразлично, будет ли проба взята у поверхности земли, над морем, в лесу, в большом городе, на горах или на высотах достигаемых воздухоплавателями. Это обусловлено тем, что с одной стороны естественно или искусственно происходящие нарушения быстро выравниваются благодаря большой подвижности воздуха, с другой — в виду незначительности таких изменений в сравнении с громадною общею массой атмосферного воздуха.

Рис. 1. Схема устройства прибора Линде для сгущения воздуха в жидкость. Охлажденные порции воздуха понижают температуру новых порций.

Из составных частей воздуха кислород и углекислота участвуют в химической жизни земли и ее обитателей. Всякое горение есть соединение горючих веществ (угля, дерева, водорода, нефти, светильного газа, серы, фосфора) с кислородом; обмен веществ живых существ, поддерживаемый вдыханием кислорода, есть также горение. Кроме того, углекислота воздуха составляет главную пищу земных растений, вырабатывающих из нее питательные вещества для животного мира (сахар, крахмал, белки). Таким образом живые существа используют воздух в самых широких размерах.

Рис. 2. Разрез печи для добывания азотной кислоты из воздуха.

Но здесь речь пойдет не о круговороте углекислоты и кислорода, давно уже известным, а о посредствующем использовании воздуха и его составных частей техникой.

Благодаря изобретению Линде стало возможным сжижать воздух в большом масштабе (рис. 1); точка кипения его лежит около —190°; сохранять жидкий воздух долгое время можно только в двустенных сосудах, представляющих надежную защиту от доступа наружного тепла. Низкая температура жидкого воздуха делает его одним из самых действительных средств охлаждения. Применению его для этой цели в технике физических и химических опытов мы обязаны не только значительно расширением наших знаний о свойствах тел при низких температурах, но, в в связи с этим, и чрезвычайно важными выводами, существенно подвинувшими вперед наши воззрения на природу материи и химических реакций.

Рис. 3. Резка металла пламенем гремучего газа.

Непосредственно практическое значение имеет применение жидкого воздуха, как взрывчатого вещества (рис. 8). Если наполнить патрон пробковой мукой, опилками, сажей или подобным содержащим уголь пористым материалом и напитать его жидким воздухом, то можно при помощи гремучей капсюли (пистона) взорвать его: благодаря жидкому кислороду произойдет необычайно быстрое воспламенение углерода при образовании громадной массы газов. Это взрывчатое средство под названием "оксиликвит" завоевало себе широкий круг применения; оно, по сравнению со всеми другими взрывчатыми веществами имеет то преимущество, что составляется непосредственно перед самым употреблением, а пока его составные части не соединены, он не представляет никакой опасности; кроме того, если патрон почему-либо не взорвался, он, вследствие испарения жидкого воздуха, вскоре становится негодным и потому безопасным.

Рис. 4. Электрическая лампа,наполненная азотом.

Тогда как раньше главные составные части воздуха (кислород и азот) в отдельности можно было получить только при помощи сложных химических процессов, сжижение воздуха представляет простой и дешевый способ разделить эти газы. Точно также, как из смеси спирта с водой соответствующей дестиляцией можно отделить ранее кипящий спирт от кипящей при более высокой температуре воды, — так из жидкого воздуха при помощи особых аппаратов можно дестиляцией отделить от азота, кипящего при —182°, кислород, кипяший при —195°, после чего эти газы получаются почти в чистом виде, и под давлением 150 атмосфер поступают в продажу в стальных сосудах.

Рис. 5. Автогенная сварка.

Чистый кислород является важным вспомогательным средством для многих лабораторных химических работ; он, кроме того, играет роль и в технике автогенной сварки и разрезывания металлов. Смесь двух об'емных частей водорода с одной такой же частью кислорода, от поднесенного пламени или электрической искры сильно взрывается (гремучий газ). Если выпускать ее из отверстия соответствующим образом устроенной горелки (паяльной горелки) и зажечь, получается чрезвычайно горячее пламя, в котором плавится не только медь и железо, но и кварц и платина. Температуру его можно еще поднять, если, вместо водорода, взять ацетилен. Спаянные посредством этого пламени металлические части (что называется "автогенной" спайкой) соединяются очень прочно. Этот способ особенно важен для обработки железа и очень широко применяется при изготовлении и ремонте машин и их частей. При особой газовой смеси гремучее газовое пламя применяется также при резании металлов, особенно железа, причем оно прижигает и выплавляет резко отграниченные части металла; резание не менее важно, чем сваривание, и для того и другого способов расходуется очень большие количества кислорода, ибо теперь без такой мастерской немыслим ни один механический завод. В металлургических печах при раздувании воздух заменяют кислородом, причем получается еще то преимущество, что тепло, бесполезно уносимое не принимающим участия в горении азотом воздуха, остается при применении кислорода в печи.

Рис. 6. Применение жидкого воздуха к сохранению мяса.

Сопровождающий человеческое дыхание медленный процесс горения также ускоряется, если в легкие вводить кислород что делается, напр. при удушении или известных отравлениях, для поддержания угасающей жизни. Кислородный аппарат позволяет спасательным отрядам входить в помещения, наполненные дымом и другими ядовитыми газами.

Рис. 7. Металлургические печи с кислородом.

В противоположность кислороду, легко соединяющемуся почти со всеми элементами, азот в этом отношении весьма вял, и потому его часто применяют в лабораториях для изоляции от кислорода известных элементов. С тою же целью, т.-е. для сохранности, в азот помещают и продукты питания: это защищает их от разрушительного влияния микроорганизмов, жизнедеятельность которых связана с кислородом.

Рис. 8. Взрывание жидким воздухом.

Как известно азотистые соединения, также как калийные соли и фосфорная кислота, являются в высшей степени важными питательными материалами для растений, почему их необходимо постоянно вводить в почву в виде искусственного удобрения для поднятия или поддержания ее плодородия. Свободный азот атмосферы растения используют только в исключительных случаях (стручковые), в большинстве же случаев для этого идут солянокислые и аммиачные соли. Источником получения последних еще 20 лет назад служили так называемая газовая вода, водный раствор, получающийся, как отброс, на газовых заводах и содержащий много аммиака. Азотная же кислота добывалась преимущественно из природных селитренных залежей Юж. Америки. Когда же выяснилась опасность, что эти залежи в недалеком будущем могут иссякнуть, химики с жаром обратились к решению вопроса о превращении неспособного к химическим реакциям атмосферного азота в легко используемые химические соединения. Трудная многолетняя работа их привела не к одному, а к нескольким решениям этого вопроса.

Рис. 9. Под'ем на горы с запасом кислорода.

Давно уже было известно, что кислород и азот под действием электрической искры или дуги могут соединяться в окись азота; потребовалось, однако, много опытов и размышлений, пока этим путем удалось экономически получать окись азота, из которой уже легко добыть азотную кислоту, а из последней и азотнокислые соли — нитраты и нитриты. Сжигание воздуха при посредстве электрической дуги требует затраты больших количеств электрической энергии и потому может с выгодой вестись только там, где последняя дешева, т.-е. получается при посредстве гидроэлектрических установок.

Рис. 10. Консервы с азотом.

Новый путь к получению аммиака из атмосферного азота — и самый удачный — открыт Хобером. Долгое время считалось установленным, что азот и водород не соединяются непосредственно в аммиак. Однако, ближайшее исследование обнаружило, что при температуре 600°—700° и под влиянием соответствующих ускорителей реакции (катализаторов) происходит соединение их в небольших размерах; если же работать при высоком давлении 1200 атмосфер, то количество получаемого аммиака сильно увеличивается. Можно себе вообразить, какие трудности представляет работа при 1200¹) атмосферах и как сложно изготовить соответствующие аппараты! Однако, все это удачно преодолено, так что этот способ развился в могучую промышленность добывания "синтетичного аммиака" в Германии, Франции, Соед. Штатах. Сырыми продуктами, служащими для нее, являются атмосферный азот и водород, получаемый из воды и раскаленного угля. Не трудно перевести аммиак в другие азотистые соединения, напр. в азотную кислоту и даже мочевину.

Рис. 11. Азотные удобрения.

По сравнению с этим, количество составных частей воздуха, потребляемых теперь при изготовлении промышленностью, производящей электрические лампы накаливания, крайне ничтожно. Однако, способ их использования представляет некоторыи интерес. Именно установлено, что может быть достигнута значительная экономия, если вместо вытянутой в безвоздушном пространстве вольфрамовой проволоки, применить проволоку, спирально скрученную в груше, наполненной индифферентным газом. Для такого наполнения пользуются азотом или, еще лучше — аргоном. Последний является главным из целого ряда так наз. "благородных газов", которые находятся в воздухе в количестве до 1%. Благоприятный результат присутствия индиффентного газа в лампе состоит в том, что он уменьшает испарение накаливаемой проволоки, благодаря чему поднимается ее температура и вместе увеличивается экономия. Наряду с аргоном воздух содержит в очень малых количествах и другие благородные газы: гелий, неон, криптон и ксенон. Смесь неона и гелия служит для наполнения тех матовых, красноватым цветом тлеющих ламп, которые применяются для реклам и красного освещения и отличаются крайне незначительным потреблением тока. Той же смесью наполняются и яркие оранжево-красные рекламные лампы, тогда как в вольфрамовых лампах применяется аргон.