Расплескалась синева

Жидкий кислород

Более 140 лет назад двое ученых разными способами превратили кислород в жидкость

История сжижения кислорода под конец превратилась в соперничество. Но кто возьмет верх: инженер, всю жизнь проработавший на металлургическом заводе, или специалист по физике низких температур в Женевском университете? Лед или пламень, теория или практика, Эйфелева башня или Суэцкий канал одержат победу?

Жидкий кислород, налитый в химический стакан, а не в сосуд Дьюара, удивит вас красивым голубым цветом. Этот цвет в прямом смысле небесной лазури – ведь этот газ составляет 21% воздуха. Но первым человеком, получившим его, был вполне приземленный инженер и владелец завода, не привыкший мечтами парить в небесах.

Луи-Поль Кайете родился в Бургундии, в живописной коммуне Шатийон-сюр-Сен. Школьное образование он начал получать там же, продолжил в Париже, а затем поступил в Горный институт вместе с братом Камилем. Там, в химической лаборатории, Луи познакомился со множеством будущих знаменитостей французского научного мира. Окончив институт, братья совершили несколько поездок в Англию, Австрию и Германию, тоже с образовательными целями: там они увидели самые современные доменные печи и прокатные станы, знакомились с самым передовым оборудованием. Но заниматься всю жизнь одной наукой не получилось: отец и дед молодых людей состарились, и дома, в Бургундии, нужна была помощь в работе на металлургическом заводе.

Шатийон-сюр-Сен

Myrabella / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

Но и там Луи не прекратил научных изысканий. Сначала он занялся исследованием процессов горения древесины в печах, показав, что этот процесс приводит к выделению углекислого газа. Была у него слабость и к ботанике: свободное время он уделял своей небольшой оранжерее, где выращивал редкие орхидеи и бегонии, в результате даже опубликовав несколько статей по физиологии растений.

Оранжерея Кайете

Francois Darbois/Wikipedia

После того, как его брат умер от туберкулеза, а отец и дед – от старости в 1860-х годах, Луи-Поль Кайете остался единственным владельцем завода. Но это только подстегнуло его исследования. Он занялся изучением выплавки чугуна и участием в ней разных газов. Для понимания процессов в плавильных печах ученому нужно было измерить температуру и давление. Однако существующие приборы не работали в большом диапазоне температур и давлений, и Кайете посвятил полтора десятка лет своей жизни усовершенствованию манометров и термометров, а также изучению зависимости объема газов от давления и температуры, описанной законом Бойля-Мариотта.

Луи-Поль Кайете

Wikimedia Commons

В 1870 году на первом этаже оранжереи он построил себе лабораторию, оборудованную мощным гидравлическим насосом, чтобы изучать химические вещества при высоком давлении и температуре. Итогом его работы стал манометр, способный измерить давление до 400 атмосфер. В 1891 году он даже установил свой манометр на Эйфелевой башне.

Тогда Кайете и заинтересовался сжатием газов и решил получить их в жидком виде. В ноябре 1877 года он проводил опыты по сжижению ацетилена и диоксида азота, сначала сжимая их под большим давлением, а потом охлаждая их другими сжиженными газами. Кайете использовал эффект Джоуля-Томпсона, зная, что если замораживать газ при сильном давлении, а затем позволить ему резко расшириться, температура газа упадет еще больше.

Аппарат Кайете для сжижения газов

Popular Science Monthly Volume 12/Wikipedia

Но оборудование было несовершенным и не идеально герметичным, поэтому сжигаемый газ просачивался наружу. И только по небольшому облачку в сосуде он понял, что эксперименты увенчались успехом. Перед публикацией результатов Кайете проверил, не вызывают ли образование облачка примеси в ацетилене. Но, как выяснилось, и химически чистый ацетилен из лучших парижских химических лабораторий вел себя точно также. Но сжижать ацетилен было несложно, чего нельзя сказать о водороде (с которым, кстати, Кайете совладать так и не сможет – его аппарат неспособен был охладить этот газ до нужных температур, около -200°C).

Воодушевленный первым успехом, Луи-Поль Кайете приступил к работе по сжижению атмосферных газов. Начать он решил с кислорода. Схема опыта была похожей: сначала ученый довел давление в сосуде до 300 атмосфер, потом охладил газ до -29°C, а затем заставил расшириться при помощи паров диоксида серы. И снова получилось облачко капель, сконденсировавшихся в результате охлаждения. Свой отчет Кайете представил Академии наук 24 декабря. Но там его настигло неприятное известие: оказалось, что другой ученый уже прислал им телеграмму о сжижении кислорода два дня назад.

Рауль Пикет

Wikimedia Commons

Этим ученым был физик из Женевы Рауль Пикте. Он был третьим из пяти отпрысков старинного швейцарского рода. Получив образование в Париже, Пикте к тому времени уже семь лет возглавлял кафедру в Женевском университете, занимаясь физикой низких температур. До этого он успел поработать в Египте во время строительства Суэцкого канала, реорганизовав образовательные учреждения в этой стране.

В отличие от своего французского соперника, он сам не занимался инженерным делом и прикладной наукой, хотя и верил в важность образования в обеих областях. Несмотря на это, у него, несомненно, был изобретательский талант: уже в 23 года он сконструировал холодильную установку, которая производила 15 килограммов льда в час. Идея Пикте о том, что в холодильных установках должна быть смесь двух веществ, была развита в дальнейшем и использована на практике при создании холодильников и криогенного оборудования.

Лаборатория Рауля Пикте

Ch. Baude/L'Illustration, du 19 janvier 1878, vol. LXXI, p. 45, et L'Exposition de Paris, journal hebdomadaire, du 28 mai 1878, N°4, p. 28

Методы получения сжиженного кислорода Кайете и Пикте различались: швейцарец подверг кислород сжатию до 320 атмосфер, охладив его до -140°C при помощи паров сернистой и угольной кислот (по сути, оксидами серы (IV) и углекислым газом). Но, самое главное, оба метода работали, а фактически опыты Кайете увенчались успехом раньше, несмотря на то, что он долго составлял свой отчет.

Жидкий кислород

Разрешить спор помог Анри Девиль – французский физикохимик, разработавший промышленный способ производства алюминия и преподаватель Сорбонны. Также он ввел теорию диссоциации – разложения вещества при нагревании – и изготовил эталоны метра и килограмма из сплава платины и иридия для Международной комиссии мер и весов в 1872 году. К такому влиятельному ученому нельзя было не прислушаться. Так на чьей же он был стороне? Оказалось, Девиль, друг Кайете, получил от него письмо, датированное 2 декабря, с точным и полным описанием опыта по получению кислорода. При возникновении разногласий Анри Девиль тут же доставил доказательства секретарю Академии наук. Так Луи-Поль Кайете и стал известен как первый ученый, получивший кислород в жидком виде.