Licuación de los gases, qué es y como se licúa el aire

Antes se creía que había "gases permanentes", es decir, gases que no se podían licuar; pero merced a estudios teóricos, sobre todo de Andrews, se llegó a establecer que para todos los gases existía .una temperatura por debajo de la cual se pueden licuar, aplicando una presión suficientemente grande. El problema de licuar un gas consiste, pues, en enfriarlo previamente a esa temperatura (llamada temperatura crítica del gas). Para lograr esto, el método más práctico, y que en la actualidad se usa, es el de Linde, que describiremos al estudiar el aire líquido.

 

¿Qué es el aire?

Es evidente que de todos los gases, el más importante para nosotros es el aire. Estamos sumergidos en el fondo de un océano gaseoso de unos 300 km de profundidad; respiramos el oxígeno que contiene, y nuestras combustiones se realizan también gracias a ese oxígeno. El aire sostiene nuestros aeróstatos v aeroplanos, y modernamente la Química ha conseguido obtener directa o indirectamente, a partir del aire, una gran cantidad de productos que contribuyen a hacer marchar la industria.

¿Qué es entonces el aire? Algunos filósofos y alquimistas lo consideraban como un elemento; pero según vimos no es así, pues contiene, entre otros gases, nitrógeno y oxígeno. ¿Es entonces una sustancia compuesta? La ley de las proporciones múltiples nos va a servir para resolver este problema. En efecto, si tomamos aire y lo analizamos, separando su oxígeno y su nitrógeno, y calculamos cuánto oxígeno y cuánto nitrógeno hay en 1 kg de aire, obtendremos los siguientes resultados: 755,1 g de nitrógeno y 231,5 g de oxígeno, estando la diferencia a 1 000 g constituida por otros gases. Ahora bien, ¿podríamos tener aire con  756 g de nitrógeno y 230 g de oxígeno por kilogramo? Naturalmente tenemos composiciones que van variando en forma continua en el caso del aire de una habitación en la que se hallan varias personas, pues éstas al respirar consumen oxígeno, y entonces su proporción disminuye. Podríamos muy bien pasar por la composición mencionada si fuésemos determinando de tanto en tanto la del aire de la habitación que hemos puesto como ejemplo.

Al ser posible esa composición, tenemos la prueba de que el aire no es una sustancia compuesta, pues la composición de las sustancias compuestas, cuando se hallan formadas por las mismas sustancias simples, no vada nunca en forma continua; su característica es la discontinuidad. Por esta razón poderosa y otras menos importantes se llega a la conclusión de que el aire 110. es una sustancia compuesto, formada por nitrógeno. y oxígeno. ¿Qué es entonces? Cuando dos sustancias, simples o compuestas, se hallan formando un conjunto homogéneo y no están unidas o combinadas, se dice que constituyen una solución. El aire es una solución formada principalmente por nitrógeno y oxígeno. Tiene también otras sustancias en proporciones muy pequeñas. Entre éstas tenemos el dióxido de carbono (o anhídridocarbónico) pro-veniente de la respiración de animales y vegetales, y de las combustiones que se producen en la superficie terrestre. Es un componente importante desde muchos puntos de vista. Luego se tiene el vapor de agua, siempre presente, aunque en cantidades muy variables. Estas variaciones son. las, que hace calificar al aire de "seco, 'muy seco, húmedo v "muy húmedo". 'Existen también otro~ gases llamados raros que conoceremos más adelante.

LICUACiÓN DEL AIRE

¿Aire líquido? Parece algo imposible, y, sin embargo, en la actualidad la industria licua diariamente muchas toneladas de aire, y lo hace con finalidades

eminentemente prácticas y no como cu-riosidad. Según dijimos, todo gas se puede licuar, siempre que se lo enfríe por debajo de una cierta temperatura (la crítica) propia de cada gas. Para licuar aire debemos enfriarlo hasta unos _1500e (esto es, 150° bajo cero) por lo menos. En la industria el enfriamiento llega hasta los - 200° e, y más. Pero para enfriar un cuerpo recurrimos habitualmente al expediente de ponerlo en contacto con otro más frío (las bebidas en contacto con hielo, por ejemplo). Es difícil tener un cuerpo cuya temperatura esté por debajo de - l500e, y la técnica debió renunciar, por lo tanto, a tener un método práctico de licuar aire basado en el enfriamiento por contacto. Fue necesario buscar otra forma de enfriar.

Dos sabios ingleses, J. O. Joule y W. Thomson (Lord Kelvin), descubrieron en el siglo pasado, y estudiaron, un fenómeno interesante, que luego debía llevar sus nombres: cuando un gas comprimido se expande bruscamente, se enfría (efecto ]oule-Thomson), siendo el enfriamiento tanto mayor cuanto más grande sea la diferencia entre la presión inicial y la final de la expansión. Y este principio es el que se usa en los aparatos industriales. En la figura adjunta se ve uno de ellos en esquema y se explica su funcionamiento.

En cuanto el aire líquido se "calienta" hasta los –100C (no hay que olvidar que lo tenemos a - 200°C) comienza a hervir, con lo cual se transforma en gas nuevamente. Si queremos conservarlo líquido debemos evitar que se "caliente". Para ello existen los vasos llamados de Dewar (del nombre" de su inventor), que impiden que el calor exterior caliente el aire líquido. Estos vasos no son otra cosa que vasos termos, como los que se usan en las casas para conservar bebidas y alimentos calientes o fríos. La diferencia sólo reside en la forma y, por supuesto, en lo esmerado de su construcción.

El aire líquido tiene propiedades interesantes. Es tan frío que si se introduce un dedo en su interior se tiene una sensación y un efecto en la piel como de quemadura. Introduciendo un artículo de caucho vulcanizado en su interior, pierde la elasticidad y se vuelve quebradizo. Si una pelota de goma que ha estado dentro del aire líquido St arroja contra una pared, se rompe como si fuese de vidrio. Flores, trozos de car y otros cuerpos se comportan de un modo aná-logo. Si se vierte aire líquido de un frasco que lo contenga, se transforma en gas antes de llegar al suelo, o inmediatamente de .estar en contacto con él, produciendo una espesa niebla por condensación del vapor de agua de la atmósfera, debido al descenso brusco de temperatura que se produce.

Pero la industria no obtiene aire líquido para hacer estas experiencias que acabamos de describir. Su finalidad es otra: la de conseguir en estado de pureza los gases que forman el aire, principalmente oxígeno y nitrógeno. Veamos cómo. Siendo el oxígeno y el nitrógeno los principales gases que componen el aire gaseoso, y siendo éste una solución, al obtenerse el aire líquido se tiene una solución líquida de oxígeno y nitrógeno. El oxígeno hierve a - 182,5°C, y el nitrógeno a -195°C, esto es, entre sus puntos de ebullición hay una diferencia de 12,5°C. Esto nos dice que hay la posibilidad de separarlos por destilación.

En efecto, los vapores producidos por el aire hirviente tendrán más nitrógeno que el líquido; pues el nitrógeno es más volátil que el oxígeno: hierve a una temperatura más baja. Si estos vapores se licuan y se hacen hervir nuevamente se tendrá un enriquecimiento en nitrógeno, mayor en los vapores, y un enriquecimiento en oxígeno en el líquido. Repitiendo esta operación un número suficiente de veces se tiene por una parte el nitrógeno, y por otra, el oxígeno. Se ha obtenido la separación de estos gases por destilación fraccionada del aire líquido. Esta destilación se realiza en la industria en aparatos especiales como los vistos en destilación.

Para que el lector online tenga una idea de la importancia de esta industria del aire líquido, reproducimos en la página siguiente una fotografía de una de las tantas plantas que han estado funcionando durante la segunda guerra mundial,