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如何从空气中分离出氧气和氮气?

2020-05-08

氧气与氮气的沸点不同,所以可通过液化空气的方法使它们分离。


地球上的空气主要是由氧气和氮气构成的,氮气占78%,氧气占21%,其他所有的气体才占1%。笼统地说,地球上的空气氮气占八成,氧气占两成。要分离它们,首先就要将空气液化。


液化空气


如果把温度降低,空气中所有的气体都能凝结为液体。


这看似简单的常识,18世纪中期以前几乎无人知晓。直到18世纪末,才被法国化学家拉瓦锡所领悟。随后,道尔顿继承了这一思路,在1801年,他强调:“一切弹性流体都可以化成液体。只要降低温度并升高压力,就一定能将所有气体液化”


从此后的100多年时间里,液化气体成了一项备受瞩目的科学竞赛。


1877年,日内瓦的皮克泰和巴黎的卡耶泰才制造出了几滴液氧。


说到气体液化就不得不提到一个人:苏格兰化学家、物理学家詹皇·杜瓦(JamesDewar )。

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杜瓦对气体液化方面的研究贡献很大。1884年,杜瓦在英国皇家学院首次公开说明了氧气和空气的液化。不久之后,他建造了一台机器,从机器上可以将液化气体通过阀门排出,用作冷却剂。大约在同一时间,他还获得了固态氧气。


1891年,他在皇家学会设计并制造了产生工业液氧的机器,到那年年底,他展示了液态氧和液态臭氧都被磁铁所强烈吸引。1892年左右,他想到了用真空容器储存液体气体,发明了杜瓦瓶,实际上就是一个双层容器的保温瓶,也叫真空烧瓶。它同时也是现在普通热水瓶的原理。



真空烧瓶的保温效率很高,可以将液体保存相当长的时间,从而使检验其物理性能成为可能。


直到1908年,卡末林·昂内斯将氦气液化成功,才宣告了液化气体竞赛的结束。


压缩-绝热膨胀法


在液化气体的竞赛中,德国科学家卡尔·冯·林德等人发明了一种绝热膨胀法。



大致原理就是先将空气装入一个容器里,通过外界做功,压缩气体的体积,气体分子热运动加快,温度升高,接着通过冷却剂的蒸发,带走热量,把受压气体冷却到原来的温度。然后隔绝容器与外界的热交换,让受压的气体通过狭窄的口子急剧膨胀,对外做功,由于从外界吸取的热量为零,因此只能减少自身的内能,从而降温冷却。


重复这一过程,就可以逐渐降低空气的温度,并把空气变为液态。


因为氧气的沸点(液体沸腾变成气体的温度)为-183℃,而氮气的沸点是-196℃,所以氧气会率先液化,这样就可以将氧气与氮气与液体与气体的形成分离。


也可先把空气完全液化,然后稍微加点温就可以使得氮气先蒸发,同时使氧气浓缩,而蒸发的氮气再通过冷却再次变成液体,这样就可以分离出液态的氮气与氧气。


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