Typen tiheys paineessa ja lämpötilassa. Typpi: ominaisuudet, kemialliset ominaisuudet, fysikaaliset ominaisuudet, yhdisteet, paikka luonnossa

MÄÄRITELMÄ

Normaaliolosuhteissa typpi - väritön kaasu, joka koostuu N2-molekyyleistä.

Vahva molekyylin sisäinen sidos, typpimolekyylin pieni koko ja ei-polaarisuus ovat syitä heikkoon molekyylien väliseen vuorovaikutukseen, siksi typellä on alhaiset kiehumis- ja sulamispisteet.

Typpi on hajuton. Olemme liukoisia veteen ja hiukan kevyempiä kuin ilma: 1 litran typen massa on 1,25 g.

Tärkeimmät typpivakiot on esitetty alla olevassa taulukossa:

Taulukko 1. Typen fysikaaliset ominaisuudet ja tiheys.

Perustilassa olevalla typpimolekyylillä N 2 on seuraava elektroninen konfiguraatio: [σ (2s) 2] [[σ * (2s) 2] [π (2p y) 2] [π (2p x) 2] [π (2p z) 2]. Pohjatilan typpiatomissa on kolme paritonta elektronia. Tämä osoittaa, että typen valenssi on kolme. Huolimatta siitä tosiseikasta, että typelle ei ole ominaista viritetyn tilan läsnäolo, tämä elementti kykenee osoittamaan yhdisteidensä valensseja I, II, IV ja V.

Typen yleisyys luonnossa

Typpi kykenee olemaan luonnossa yksinkertaisen aineen muodossa (typen pitoisuus ilmassa on -78 (tilavuus)%). Aminohappojen ja nukleiinihappojen muodossa typpi on osa eläin- ja kasvi-organismeja. Luonnollisista mineraaleista Chilen nitraatti (NaNO 3) ja kaliumnitraatti (KNO 3) ovat teollisesti tärkeitä. Maapallonkuoren (mukaan lukien hydrosfääri ja ilmapiiri) kokonaistyppipitoisuus on 0,04% (paino).

Yhteenveto typen kemiallisista ominaisuuksista ja tiheydestä

Molekyylityppillä on erittäin matala reaktiivisuus, mikä johtuu vahvasta kolmoissidoksesta N2-molekyylissä, samoin kuin molekyylin polaarisuudesta. Itse asiassa typpimolekyylin ionisaatioenergia, joka on 1402 kJ / mol, on lähellä argoniatomin ionisaatioenergiaa, joka on 1520 kJ / mol, toisin sanoen, typpi on huono pelkistin.

Molekyylin typen affiniteetti elektroniin on 3,6 eV, joten huoneenlämpötilassa se reagoi vain joidenkin voimakkaiden pelkistimien, esimerkiksi litiumin, kanssa. Prosessi etenee yhden elektronin pelkistysvaiheen läpi muodostaen epästabiilia pernitridiä Li + N 2 -, joka muuttuu nitridiksi reaktion aikana:

6Li + N2 \u003d 2Li3N.

Magnesiumnitridin Mg 3 N 2 muodostuminen yksinkertaisista aineista vaatii kuumentamista 300 ° C: seen. Aktiivisten metallien nitridit ovat ionisia yhdisteitä, jotka hydrolysoivat vedessä ammoniakin muodostamiseksi.

Typpimolekyylissä tapahtuvassa sähköpurkauksessa elektronimuutos kiertoradalta σ (2p z) arvoon π * (2p z). Nämä innoissaan olevat molekyylit palautuvat nopeasti normaalitilaansa säteileen keltaista hehkua. Joskus se kestää useita minuutteja purkauksen loppumisen jälkeen. Innoissaan typpi on erittäin reaktiivinen. Itse asiassa sähköpurkauksessa se reagoi hapen kanssa:

N2 + O 2 - 2NO.

Reaktio vedyn kanssa etenee korotetuissa lämpötiloissa (400 ° C) ja paineessa (200 atm) katalyytin (Fe) läsnä ollessa:

N2 + 3H2 + 2NH3.

Typpi ei ole vuorovaikutuksessa rikin ja halogeenien kanssa.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

Esimerkki 1

Tehtävä Laske happea tiheys a); b) typpi; c) ilmalla seuraavien kaasujen: vetyjodidi HI ja typenoksidi (I).
Päätös

M r (HI) \u003d A (H) + A r (I) \u003d 1 + 127 \u003d 128.

D ilma (HI) \u003d M r (HI) / M r (ilma) \u003d 128/29 \u003d 4,41;

D02 (HI) \u003d M r (HI) / M r (02) \u003d 128/32 \u003d 4;

DN2 (HI) \u003d Mr (HI) / Mr (N2) \u003d 128/28 \u003d 4,57.

M r (N20) \u003d 2 × A r (N) + A r (O) \u003d 2 × 14 + 16 \u003d 28 + 16 \u003d 44.

D ilma (N20) \u003d M r (N 2 O) / M r (ilma) \u003d 44/29 \u003d 1,52;

D02 (N20) \u003d Mr (N20) / M r (O 2) \u003d 44/32 \u003d 1,375;

D N2 (N20) \u003d M r (N 2 O) / M r (N 2) \u003d 44/28 \u003d 1,57.

Vastaus Vetyjodidin tiheydet ilmassa, hapessa ja typessä ovat vastaavasti 4,41, 4 ja 4,57; typpioksidin (I) tiheydet ilmassa, hapessa ja typessä ovat vastaavasti 1,52, 1,375 ja 1,57.

Esimerkki 2

Tehtävä Laske happea tiheys a); b) typpi; c) ilmalla seuraavien kaasujen: typenoksidi (IV) ja fluorivety HF.
Päätös Yhden kaasun suhteellisen tiheyden laskemiseksi toisesta, ensimmäisen kaasun suhteellinen molekyylipaino on jaettava toisen kaasun suhteellisella molekyylipainolla.

Ilman suhteellisena molekyylipainona pidetään 29 (ottaen huomioon typen, hapen ja muiden kaasujen pitoisuudet ilmassa). On huomattava, että käsitettä "ilman suhteellinen molekyylipaino" käytetään tavanomaisesti, koska ilma on kaasuseos.

M r (HF) \u003d A (H) + A r (F) \u003d 1 + 19 \u003d 20.

D ilma (HF) \u003d M r (HF) / M r (ilma) \u003d 20/29 \u003d 0,69;

D02 (HF) \u003d Mr (HF) / Mr (O 2) \u003d 20/32 \u003d 0,625;

DN2 (HF) \u003d Mr (HF) / Mr (N2) \u003d 20/28 \u003d 0,71.

M r (O 2) \u003d 2 x A r (O) \u003d 2 x 16 \u003d 32.

M r (N 2) \u003d 2 × A r (N) \u003d 2 x 14 \u003d 28.

M r (NO 2) \u003d A r (N) + 2 x A r (O) \u003d 14 + 2 x 16 \u003d 14 + 32 \u003d 46.

D ilma (NO 2) \u003d M r (NO 2) / M r (ilma) \u003d 46/29 \u003d 1,59;

D02 (N02) \u003d M r (N02) / M r (O 2) \u003d 46/32 \u003d 1,44;

D H2 (N02) \u003d M r (N02) / M r (N 2) \u003d 46/28 \u003d 1,64.

Vastaus Vetyfluoridin tiheydet ilmassa, hapessa ja typessä ovat vastaavasti 0,69, 0,625 ja 0,71; typpioksidin (IV) tiheydet ilmassa, hapessa ja typessä ovat vastaavasti 1,59, 1,44 ja 1,64.

Typpi, N (lat. Typpi * a. Typpi; n. Stickstoff; f. Atsote, typpi ja. Typpi), on Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ryhmän V kemiallinen elementti, atominumero 7, atomimassa 14,0067. Englantilainen tutkija D. Rutherford löysi sen vuonna 1772.

Typen ominaisuudet

Normaalitilanteessa typpi on väritön ja hajuton kaasu. Luonnollinen typpi koostuu kahdesta stabiilista isotoopista: 14 N (99,635%) ja 15 N (0,365%). Typpimolekyyli on piimaan mukainen; atomit on kytketty kovalenttisella kolmoissidoksella NN. Typpimolekyylin halkaisija, joka on määritetty eri tavoin, on 3,15-3,53 A. Typpimolekyyli on erittäin vakaa - dissosiaatioenergia on 942,9 kJ / mol.

Molekyylinen typpi

Molekyylin typpivakiot: f sulamispiste - 209,86 ° С, f kiehuminen - 195,8 ° С; kaasumaisen typen tiheys on 1,25 kg / m 3, nestemäinen typpi on 808 kg / m 3.

Typpiominaisuus

Kiinteässä tilassa typpeä esiintyy kahdessa modifikaatiossa: kuutiomainen a-muoto, jonka tiheys on 1026,5 kg / m 3, ja kuusikulmainen b-muoto, jonka tiheys on 879,2 kg / m3. Sulamislämpö on 25,5 kJ / kg, höyrystymislämpö on 200 kJ / kg. Nestemäisen typen pintajännitys kosketuksessa ilman kanssa on 8,5,10 -3 N / m; dielektrisyysvakio 1,000538. Typen liukoisuus veteen (cm3 / 100 ml H20: ta): 2,33 (0 ° C), 1,42 (25 ° C) ja 1,32 (60 ° C). Typpiatomin ulkoinen elektronikuori koostuu 5 elektronista. Typen hapetustilat vaihtelevat 5: stä (N205: ssä) -3: een (NH3: ssa).

Typpiyhdiste

Normaaleissa olosuhteissa typpi voi reagoida siirtymämetallien (Ti, V, Mo jne.) Kanssa muodostaen komplekseja tai pelkistäen muodostaen ammoniakin ja hydratsiinin. Typpi reagoi aktiivisten metallien kanssa, kuten esimerkiksi kuumennettaessa suhteellisen alhaisiin lämpötiloihin. Typpi reagoi useimpien muiden alkuaineiden kanssa korkeissa lämpötiloissa ja katalyyttien läsnä ollessa. Typpiyhdisteitä, joissa on: N20, NO, N205, tutkitaan hyvin. Se yhdistyy typen kanssa vain korkeissa lämpötiloissa ja katalyyttien läsnä ollessa; tämä tuottaa ammoniakkia NH3. Typpi ei ole vuorovaikutuksessa suoraan halogeenien kanssa; siksi kaikki typpihalogenidit saadaan vain epäsuorasti, esimerkiksi typpifluoridi NF3 - vuorovaikutuksessa ammoniakin kanssa. Myöskään rikin kanssa ei tapahdu suoraa typpikombinaatiota. Typillä kuumennettaessa muodostuu syanogeeni (CN) 2. Tavallisen typen sähköpurkausten vaikutuksesta samoin kuin ilmassa tapahtuvien sähköpurkausten aikana voi muodostua aktiivista typpeä, joka on seos typpimolekyylejä ja atomeja, joilla on lisääntynyt energiavaranto. Aktiivinen typpi on erittäin voimakkaasti vuorovaikutuksessa hapen, vedyn, höyryjen ja joidenkin metallien kanssa.

Typpi on yksi maapallon runsaimmista alkuaineista, ja sen irtotavara (noin 4,10 15 tonnia) on keskittynyt vapaaseen tilaan. Tulivuoren toiminta vapauttaa ilmakehään 2,10 6 tonnia typpeä vuosittain. Merkittämätön osa typestä on keskittynyt (keskimääräinen pitoisuus litosfäärissä on 1,9,10 -3%). Luonnolliset typpiyhdisteet - ammoniumkloridi ja erilaiset nitraatit (nitraatti). Typen nitridejä voi muodostua vain korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, jotka ilmeisesti tapahtuivat maan kehityksen varhaisimmissa vaiheissa. Suuri suolakapselin keräys löytyy vain kuivasta autiomaasta ilmastosta (ja muista). Pieniä määriä sitoutunutta typpeä löytyy (1-2,5%) ja (0,02-1,5%) sekä jokien, merien ja valtameren vesistä. Typpi kertyy maaperään (0,1%) ja eläviin organismeihin (0,3%). Typpeä löytyy proteiinimolekyyleistä ja monista luonnossa esiintyvistä orgaanisista yhdisteistä.

Typpisykli luonnossa

Luonnossa suoritetaan typpisykli, joka sisältää biosfäärissä olevan molekyylisen ilmakehän typen kiertosyklin, kemiallisesti sitoutuneen typen ilmakehässä, pinnan typpisyklin, joka on haudattu orgaaniseen aineeseen litosfäärissä sen paluun kanssa takaisin ilmakehään. Teollisuuden typpi oli aikaisemmin otettu kokonaan luonnollisista nitraattiesiintymistä, joiden määrää maailmassa on hyvin vähän. Erityisen suuria typpijaostumia natriumnitraatin muodossa löytyy Chilestä; nitraattituotanto oli joissain vuosissa yli 3 miljoonaa tonnia.

Nestemäinen typpi on nestemäisessä tilassa typpityppeä N2 erittäin alhaisessa lämpötilassa -196C (77,35K) 101,3 kPa: n paineessa. Nestemäisen typen kiehumispisteen riippuvuus paineesta esitetään yksikköinä. Nestemäinen typpi on väritöntä ja hajutonta. Ilman kanssa kosketuksiin joutuessa nestemäinen typpi absorboi siitä happea muodostaen happiliuosta typessä, ja siksi seoksen kiehumispiste muuttuu vähitellen.

Nestemäisen typen lämpötilaa voidaan laskea jäätymispisteeseen -210C (63K), kun syntyy tarvittava tyhjiö pinnan yläpuolelle. Tyhjiö saadaan aikaan pumppaamalla säiliö nestemäisellä typellä sopivan kapasiteetin tyhjiöpumpulla.

Nestemäisen typen tiheys 101,3 kPa: n paineessa on 808 kg / m3. Nestemäisen typen tiheyden paine-riippuvuus on esitetty yksikköinä.

Nestemäinen typpi saadaan nesteyttämällä ilmailmaa sen erillisellä erotuksella puhdistuskolonnissa tai nesteyttämällä kaasumaista typpeä, joka on saatu käyttämällä membraanin tai sorptiomenetelmää ilman erottamiseksi. Ilmakehän ilmassa kaasumaisen typen pitoisuus on 75,6% (massa) tai 78,084% (tilavuus).

Taulukko 1. Nestemäisen typen lajit luokitellaan:.

Typpilaatu / koostumus
Korkea puhtaus (korkea puhtaus) Erittäin puhdas tekninen
1. luokka 2. luokka 1. luokka 2. luokka 1. luokka 2. luokka
Typen tilavuusosuus,%, vähintään 99,999 99,996 99,99 99,95 99,6 99,0
Happimäärän osuus,%, ei enempää 0,0005 0,001 0,001 0,05 0,4 1,0



Nestemäisen typen varastointiin käytetään erityisiä tyhjiöeristettyjä astioita. Pienitä nestemäisen typen varastointia varten tarkoitettuja säiliöitä, joiden tilavuus on alle 50 litraa, kutsutaan Dewarsiksi, kun taas suurempia astioita kutsutaan kryogeenisiksi, kryogeenisiksi ja säiliöiksi. Varastoinnin aikana typpi haihtuu, ja korkealaatuisille säiliöille on ominaista sen haihtumisen minimiarvo. Kryogeenisissä astioissa tyypilliset tuotehäviöt ovat 1-2% päivässä, Dewar-aluksissa 0,2–0,3% päivässä.

Nestemäistä typpeä käytetään erilaisten esineiden jäähdyttämiseen ja kaasuttamiseen. Nestemäisen typen kaasuttaminen voi vähentää merkittävästi kaasumaisen typen toimituskustannuksia kuluttajalle. Nestemäisen typen kaasuttamiseen käytetään erityisiä erityyppisiä kaasutusastioita ja erittäin puhdasta tyyppiä olevaa typpeä. Jäähdytykseen riittää tekninen typpi, koska erilaisten esineiden jäähdyttämiseen ei yleensä aseteta typpipuhtaudelle vaatimuksia. Typen puhtaus ymmärretään sen happipitoisuuden asteena.

Taulukko 2. Kyllästettyjen typpihöyryjen paine lämpötiloissa 20-126 K

T, K p, hPa T, K p, MPa
yli kristallin yli neste
20,0 1,44 × 10-10 63,15* 0,0125*
21,2 1,47 × 10-10 64 0,0146
21,6 3,06 × 10-10 66 0,0206
22,0 6,13 × 10-10 68 0,0285
22,5 1,59 × 10 -9 70 0,0386
23,0 3,33 × 10 -9 72 0,0513
24,0 1,73 × 10 -8 74 0,0670
25,0 6,66 × 10 -8 76 0,0762
26,0 2,53 × 10 -7 77,36** 0,1013**
26,4 4,26 × 10 -7 80 0,1371
30,0 3,94 × 10-5 82 0,1697
37,4 1,17 × 10 -2 84 0,2079
40,0 6,39 × 10 -2 86 0,2520
43,5 1,40 × 10 -1 88 0,3028
49,6 3,49 90 0,3608
52,0 7,59 92 0,4265
54,0 13,59 94 0,5006
56,0 23,46 96 0,5836
58,0 39,19 98 0,6761
60,0 69,92 100 0,7788
62,0 98,11 102 0,8923
104 1,0172
106 1,1541
108 1,3038
110 1,4669
116 2,0442
120 2,5114
124 3,0564
126,2 *** 3,4000***

Huomaa: * - kolmipiste; ** - normaali kiehumispiste; *** - Kriittinen piste

Taulukko 3. Nestemäisen typen tiheys lämpötila-alueella 63-126 K

T, K ρ, kg / m3
63,15 868,1
70 839,6
77,35 807,8
80 795,5
90 746,3
100 690,6
110 622,7
120 524,1
126,25 295,2

Taulukko 4. Arvioitu nestemäisen typen kulutus joidenkin metallien jäähdyttämiseksi

jäähdytysaine Lämpötila-alue
metallijäähdytys, K
Kylmäaineen kulutus, l / 1 kg metallia
Alumiini Ruostumaton teräs Kupari
Käytettäessä höyrystymislämpöä
Nestemäinen typpi 300 - 77 1,0 0,53 0,46
Käytettäessä höyrystymislämpöä ja höyryn lämpökapasiteettia
Nestemäinen typpi 300 - 77 0,64 0,34 0,29

Taulukko 5. Nestemäisen typen fysikaaliset perusominaisuudet

Parametri, omaisuus typpi
Kiehumispiste, K 77,36
Kriittinen piste
  • Lämpötila Ткр, К
  • Paine p cr, MPa
  • Tiheys ρ cr, kg / m3
  • 126,6
  • 3,398
Kolminkertainen piste
  • Lämpötila Ttr, K
  • Paine p tr, kPa
  • 63,15
  • 12,53
  • Tiheys ρ, kg / m3: höyry
  • nesteet
  • Ud. Höyryn lämpökapasiteetti Ср, kJ / (kg ° К):
  • nesteet
  • 0,190
  • Höyrystymislämpö r, kJ / kg
  • kJ / l
  • 197,6
  • 159,6
Kaasun entalpioiden erotuksen suhde T \u003d 300K ja T \u003d 4,2K suhteessa höyrystymislämpötilaan, Δi / r 1,2
  • Kerroin. lämmönjohtavuus λ, mW / (m ° K) höyry
  • nesteet
Nesteen dielektrisyysvakio 1,434
Kaasu normaaleissa olosuhteissa (t \u003d 0 ° C, p \u003d 101,325 kPa)
  • Tiheys ρ, kg / m3
  • Ud. lämpökapasiteetti Ср, kJ / (kg ° К)
  • Kerroin. lämpöä johtava λ, mW / (m ° K)
  • Kyllästetyn höyryn tilavuus 1 litrasta nestettä:
  • Kaasumäärä 1 litrasta nestettä:
  • 1,252
  • 1,041
  • 23,96
  • Moolimassa μ, kg / mol
  • Kaasuvakio R, J / (kg ° K)
  • Adiabaattinen eksponentti y \u003d Cp / C
  • 296,75


Typpi on jaksollisen järjestelmän kemiallinen elementti, joka on merkitty kirjaimella N ja jolla on sarjanumero 7. Se esiintyy molekyylin N2 muodossa, joka koostuu kahdesta atomista. Tämä kemikaali on väritöntä, hajutonta ja mautonta kaasua ja on inertti normaaleissa olosuhteissa. Typen tiheys normaaleissa olosuhteissa (0 ° C: ssa ja paineessa 101,3 kPa) on 1,251 g / dm3. Elementti sisältyy koostumukseen määränä 78,09% sen tilavuudesta. Skotlantilainen lääkäri Daniel Rutherford löysi sen ensimmäisenä ilmankomponenttina vuonna 1772.

Nestemäinen typpi on kryogeeninen neste. Ilmanpaineessa se kiehuu lämpötilassa -195,8 ° C. Siksi sitä voidaan varastoida vain eristetyissä astioissa, jotka ovat nesteytettyjen kaasujen terässylintereitä. Vain tässä tapauksessa sitä voidaan varastoida tai kuljettaa ilman suuria haihtumisen aiheuttamia haihtumisia. Kuten kuivajäätä (jota kutsutaan myös nesteytetyksi hiilidioksidiksi), nestemäistä typpeä käytetään kylmäaineena. Lisäksi sitä käytetään veren, sukusolujen (sperma ja munat) sekä muiden biologisten näytteiden ja materiaalien kylmäsäilytykseen. Se on kysytty myös kliinisessä käytännössä, esimerkiksi kryoterapiassa kystojen ja syylien poistamiseksi iholta. Nestemäisen typen tiheys on 0,808 g / cm3.

Monet teollisesti tärkeät yhdisteet, kuten ammoniakki, orgaaniset nitraatit (räjähteet, polttoaineet) ja syanidit, sisältävät N2: ta. Alkuperäisen typen erittäin vahvat sidokset molekyylissä aiheuttavat vaikeuksia sen osallistumiselle kemiallisiin reaktioihin, mikä selittää sen inerttin standardiolosuhteissa (lämpötila ja paine). Näistä syistä lukien N2: lla on suuri merkitys monilla tieteen ja teollisuuden aloilla. Esimerkiksi, on ylläpidettävä in situ -painetta öljyn tai kaasun tuotannon aikana. Sen käytännöllinen tai tieteellinen soveltaminen edellyttää tietämistä, mikä typen tiheys on annetussa paineessa ja lämpötilassa. Fysiikan ja termodynamiikan laeista tiedetään, että vakiotilavuudessa paine kasvaa lämpötilan noustessa ja päinvastoin.

Milloin ja miksi sinun on tiedettävä typen tiheys? Tämän indikaattorin laskelmaa käytetään N2: n käyttöä edeltävien teknologisten prosessien suunnittelussa, laboratoriokäytännössä ja tuotannossa. Kaasun tiheyden tunnetun arvon avulla voidaan laskea sen massa tietyssä tilavuudessa. Esimerkiksi tiedetään, että kaasun tilavuus on 20 dm3 normaaleissa olosuhteissa. Tässä tapauksessa voit laskea sen massan: m \u003d 20. 1,251 \u003d 25,02 g. Jos olosuhteet eroavat normaaleista ja N2: n tilavuus tunnetaan näissä olosuhteissa, sinun on ensin löydettävä (käyttämällä viitekirjoja) typen tiheys tietyssä paineessa ja lämpötilassa ja kerrottava sitten tämä arvo kaasun käyttämällä tilavuudella.

Samankaltaiset laskelmat suoritetaan tuotannossa teknisten yksiköiden materiaalitasapainoja laadittaessa. Ne ovat välttämättömiä teknologisten prosessien suorittamisessa, välineiden valinnassa, teknisten ja taloudellisten indikaattorien laskemisessa ja niin edelleen. Esimerkiksi kemikaalien tuotannon lopettamisen jälkeen kaikki laitteet ja putkistot on puhdistettava inertillä kaasulla - typellä (se on halvin ja helpoimmin verrattuna esimerkiksi heliumiin tai argoniin), ennen kuin ne avataan ja viedään korjattavaksi. Yleensä ne puhalletaan läpi sellaisella määrällä N2: ta, joka on useita kertoja suurempi kuin laitteiden tai putkistojen tilavuus. Tämä on ainoa tapa poistaa palavat kaasut ja höyryt järjestelmästä ja sulkea pois räjähdys tai tulipalo. Suunnitellessaan toimenpiteitä ennen sammutuskorjausta tekniikka, tietäen tyhjennettävän järjestelmän tilavuuden ja typpitiheyden, laskee puhdistamiseen tarvittavan N2-massan.

Yksinkertaistettuihin laskelmiin, jotka eivät vaadi tarkkuutta, oikeat kaasut rinnastetaan ihanteellisiin kaasuihin ja noudatetaan Avogadro-lakia. Koska 1 moolin N2: n massa on numeerisesti 28 grammaa ja yhden moolin minkä tahansa ihanteellisen kaasun tilavuus on 22,4 litraa, typen tiheys on: 28 / 22,4 \u003d 1,25 g / l \u003d 1,25 g / dm3. Tämä menetelmä tiheyden nopeasti löytämiseksi on sovellettavissa kaikkiin kaasuihin, ei vain N2: een. Sitä käytetään usein analyyttisissä laboratorioissa.

Kryogeenisten nesteiden ominaisuudet kryogeenisissä lämpötiloissa. Helium, vety, neoni, typpi, argon, happi

Taulukko 1 Nestemäisten kylmäaineiden kiehumispisteet (normaalissa paineessa)

Taulukko 2 Viite - kuiva ilmakehän koostumus

komponentti Tilavuusosuus Typpi, happi, argon, neoni, kryptoni, ksenoni ovat ilman erotuksen päätuotteita, joita uutetaan siitä teollisessa mittakaavassa puhdistamalla ja sorptioimalla alhaisessa lämpötilassa. Taulukossa 1.2 esitetään kuivien ilman eri komponenttien tilavuusjakeet maan pinnalla. Huolimatta mahdollisista nestemäisistä kylmäaineista, nestemäistä heliumia ja nestemäistä typpeä käytetään pääasiassa tieteellisessä käytännössä. Vety ja happi ovat erittäin räjähtäviä, ja nestemäiset inertit kaasut eivät salli riittävän alhaisten lämpötilojen saavuttamista (taulukko 1). Noin 70 - 100 K lämpötila-alueella nestemäistä typpeä käytetään menestyksekkäästi turvallisena ja suhteellisen halpana kylmäaineena (kuiva ilmakehän tilavuusosuus on noin 78%). Alle 70 K: n lämpötilojen saamiseksi käytetään yleensä heliumia. Heliumilla on kaksi stabiilia isotooppia - 3He ja 4He. Molemmat heliumin isotoopit ovat inerttejä. 4He: n päälähde on maakaasu, jonka pitoisuus voi olla 1-2%. Maakaasu, jonka heliumpitoisuus on yli 0,2%, altistetaan yleensä teolliselle prosessille 4He: n uuttamiseksi, mikä koostuu raaka-aineen peräkkäisestä puhdistamisesta. Kevyen isotoopin 3He osuus 4He: ssä on yleensä 10 -4-10 - 5%, joten 3He saadaan ydinreaktoreihin muodostuvan tritiumin radioaktiivisen hajoamisen aikana. Siksi puhuttaessa heliumista tai nestemäisestä heliumista he tarkoittavat 3Heä, ellei toisin mainita. Nestemäistä helium 3He: tä ei käytetä matalan lämpötilan laitteissa, jotka on suunniteltu toimimaan alle 1 K lämpötilassa.
Typpi N2 78,09
Happi O2 20,95
Argon Ar 0,93
Hiilimonoksidi CO2 0,03
Neon Ne 1810 -4
Helium He 5,24x10 -4
hiilivedyt 2,03x10 -4
Metaani CH4 1,5x10 -4
Krypton Kr 1,14x10 -4
Vety H2 0,5x10 -4
Typpioksidi N2O 0,5x10 -4
Ksenon Xe 0,08x10 -4
Otsoni O3 0,01x10 -4
Radon Rn 6,0x10 -18

Kaikki kylmäaineina käytettävät aineet ovat värittömiä ja hajuttomia, eivätkä nesteitä tai kaasumaisia. Ne eivät ole magneettisia eivätkä johda sähköä normaaleissa olosuhteissa. Pöytä Kuvio 3 esittää yleisimpien kylmäaineiden - typen ja heliumin - pääominaisuuksia.

Taulukko 3 Nestemäisen ja kaasumaisen typen ja heliumin fysikaaliset parametrit

Parametri, omaisuus typpi helium
Kiehumispiste, K 77,36 4,224
Kriittinen piste
  • Lämpötila Ткр, К
  • Paine p cr, MPa
  • Tiheys ρ cr, kg / m3
  • 126,6
  • 3,398
  • 5,2014
  • 0,228
Kolminkertainen piste
  • Lämpötila Ttr, K
  • Paine p tr, kPa
  • 63,15
  • 12,53
  • X-piste 2,172
  • X-piste 5,073
  • Tiheys ρ, kg / m3: höyry
  • nesteet
  • 16,38
  • 124,8
  • Ud. Höyryn lämpökapasiteetti Ср, kJ / (kg ° К):
  • nesteet
  • 0,190
  • Höyrystymislämpö r, kJ / kg
  • kJ / l
  • 197,6
  • 159,6
Kaasun entalpioiden erotuksen suhde T \u003d 300K ja T \u003d 4,2K suhteessa höyrystymislämpötilaan, Δi / r 1,2 70
  • Kerroin. lämmönjohtavuus λ, mW / (m ° K) höyry
  • nesteet
Nesteen dielektrisyysvakio 1,434 1,049
Kaasu normaaleissa olosuhteissa (t \u003d 0 ° C, p \u003d 101,325 kPa)
  • Tiheys ρ, kg / m3
  • Ud. lämpökapasiteetti Ср, kJ / (kg ° К)
  • Kerroin. lämpöä johtava λ, mW / (m ° K)
  • Kyllästetyn höyryn tilavuus 1 litrasta nestettä:
  • Kaasumäärä 1 litrasta nestettä:
  • 1,252
  • 1,041
  • 23,96
  • 0,1785
  • 5,275
  • 150,1
  • Moolimassa μ, kg / mol
  • Kaasuvakio R, J / (kg ° K)
  • Adiabaattinen eksponentti y \u003d Cp / C
  • 296,75
  • 4,003

Otetaan huomioon useita tärkeitä kohtia: - nestemäinen helium on paljon kevyempi kuin typpi (tiheydet eroavat melkein 6,5 kertaa); - nestemäisellä heliumilla on erittäin alhainen ominainen höyrystymislämpö r \u003d 20,2 J / g, kun taas typen r \u003d 197,6 J / g. Tämä tarkoittaa, että 1 g: n typen haihtuminen vaatii 9,8 kertaa enemmän lämpöä. Kun otetaan huomioon nestemäisen heliumin ja nestemäisen typen tiheysten suuri ero, höyrystymislämpömäärät litrassa eroavat vielä enemmän - 63,3 kertaa! Seurauksena on, että sama tehotulo johtaa merkittävästi erilaisten nestemäisen heliumin ja nestemäisen typen määrien haihtumiseen. On helppo nähdä, että 1 W tehotulolla noin 1,4 litraa nestemäistä heliumia ja 0,02 litraa nestemäistä typpeä haihtuu tunnissa; - pumppaamalla pois höyryjä, on mahdollista alentaa nestemäisen typen lämpötilaa kolminkertaiseen pisteeseen Ttr \u003d 63,15K, p cr \u003d 12,53 kPa. Kolmipisteen läpi kulkeessa nestemäinen typpi jäätyy - menee kiinteään tilaan. Tässä tapauksessa typpihöyryjen pumppaus edelleen kiteen yli on mahdollista ja seurauksena järjestelmän lämpötilan lasku. Taulukko 4 näyttää typen tyydyttyneen höyrynpaineen arvot laajalla lämpötila-alueella. Käytännössä kuitenkin yleensä käytetään joko nestemäistä heliumia tai "kylmäjäähdyttimiksi" kutsuttuja laitteita alhaisemman lämpötilan saavuttamiseksi.

Taulukko 4 Kyllästetyn typpihöyryn paine kryogeenisissä lämpötiloissa

T, K p, hPa T, K p, MPa
yli kristallin yli neste
20,0 1,44 × 10-10 63,15 * 0,0125*
21,2 1,47 × 10-10 64 0,0146
21,6 3,06 × 10-10 66 0,0206
22,0 6,13 × 10-10 68 0,0285
22,5 1,59 × 10 -9 70 0,0386
23,0 3,33 × 10 -9 72 0,0513
24,0 1,73 × 10 -8 74 0,0670
25,0 6,66 × 10 -8 76 0,0762
26,0 2,53 × 10 -7 77,36** 0,1013**
26,4 4,26 × 10 -7 80 0,1371
30,0 3,94 × 10-5 82 0,1697
37,4 1,17 × 10 -2 84 0,2079
40,0 6,39 × 10 -2 86 0,2520
43,5 1,40 × 10 -1 88 0,3028
49,6 3,49 90 0,3608
52,0 7,59 92 0,4265
54,0 13,59 94 0,5006
56,0 23,46 96 0,5836
58,0 39,19 98 0,6761
60,0 69,92 100 0,7788
62,0 98,11 102 0,8923
104 1,0172
106 1,1541
108 1,3038
110 1,4669
116 2,0442
120 2,5114
124 3,0564
126,2 *** 3,4000***

Huomaa: * - kolmipiste; ** - normaali kiehumispiste; *** - Kriittinen piste

Taulukko 5 Kyllästetyn heliumhöyryn paine kryogeenisissä lämpötiloissa

Helium-4 Helium-3
T, K p, hPa T, K p, MPa
0,1 5,57 × 10 -32 0,2 0,016 × 10 -3
0,2 10,83 × 10-16 0,3 0,00250
0,3 4,51 × 10-10 0,4 0,03748
0,4 3,59 × 10 -7 0,5 0,21225
0,5 21,8 × 10 -6 0,6 0,72581
0,6 37,5 × 10-5 0,7 1,84118
0,7 30,38 × 10 -4 0,8 3,85567
0,8 15,259 × 10 -3 0,9 7,07140
0,9 55,437 × 10 -3 1,0 11,788
1,0 0,1599 1,1 18,298
1,5 4,798 1,2 26,882
2,0 31,687 1,3 37,810
2,177* 50,36* 1,4 51,350
2,5 103,315 1,5 67,757
3,0 242,74 1,6 87,282
3,5 474,42 1,8 136,675
4,0 821,98 2,0 201,466
4,215** 1013,25** 2,2 283,540
4,5 1310,6 2,4 384,785
5,0 1971,2 2,6 507,134
5,2*** 2274,7*** 2,8 652,677
3,0 823,806
3,195** 1013,25**
3,3 1135,11
3,324 1165,22

Huomaa: * - λ-piste; ** - normaali kiehumispiste; *** - Kriittinen piste

Taulukko 6 Nestemäisen typen ja heliumin kylmäaineiden tiheys erilaisissa kryogeenisissä lämpötiloissa

Helium-4 typpi
T, K ρ, kg / m3 T, K ρ, kg / m3
1,2 145,47 63,15 868,1
1,4 145,50 70 839,6
1,6 145,57 77,35 807,8
1,8 145,72 80 795,5
2,0 145,99 90 746,3
2,177 146,2 100 690,6
2,2 146,1 110 622,7
2,4 145,3 120 524,1
2,6 144,2 126,25 295,2
2,8 142,8
3,0 141,1
3,2 139,3
3,4 137,2
3,6 134,8
3,8 132,1
4,0 129,0
4,215 125,4
4,4 121,3
4,6 116,3
4,8 110,1
5,0 101,1
5,201 69,64

Nestemäisen heliumin lämpötilaa voidaan alentaa myös pumppaamalla, ja nesteen lämpötila on ainutlaatuisesti yhdenmukainen höyrynpaineen kanssa (taulukko 5). Esimerkiksi paine p \u003d 16Pa vastaa lämpötilaa T \u003d 1,0K. On muistettava, että heliumilla ei ole kolminkertaista, vaan λ-pistettä (T \u003d 2,172K) - siirtymä supernestefaasiin. Optisen kryostaatin läsnä ollessa siirtyminen λ-pisteen läpi voidaan helposti havaita visuaalisesti lopettamalla nestemäisen heliumin massakeittäminen. Tämä johtuu nesteen lämmönjohtavuuden voimakkaasta noususta - 24 mW / (m ° K) - 86 kW / (m ° K). Kun kylmäaineiden kiehumispiste laskee (pumppaamalla höyryjä pois), nesteen tiheys kasvaa (katso taulukko 6). Tämä vaikutus voi olla välttämätön oikean lämpömittauksen kannalta, koska kylmä ja siten raskaampi helium tai typpi uppoaa verisuonen pohjalle. Nestemäisen heliumin kustannukset ovat useita kertoja korkeammat kuin nestemäisen typen kustannukset (nestemäisen heliumin ja nestemäisen typen markkinahintojen välinen arvioitu suhde on 20: 1). Siksi kryogeenisten laitteiden jäähdytys vaatii kohtuullisen yhdistelmän nestemäisen typen käytöstä esijäähdytykseen ja nestemäisen heliumin. Haihtuneen kaasumaisen heliumin käyttö palautusvirran jäähdyttämiseksi on myös välttämätöntä. Tätä osoittaa kaasun entalpioiden suhteen T \u003d 300K ja T \u003d 4,2K suuri arvo suhteessa höyrystymislämpötilaan \u003d 70. Toisin sanoen kaasumaisen heliumin lämmittäminen 4,2 K - 300 K vaatii 70 kertaa enemmän lämpöä kuin nestemäisen heliumin haihduttaminen.

Taulukko 7 Joidenkin kryogeenisen tekniikan materiaalien ominaislämpö, \u200b\u200bJ / (g ° K)

T, K Alumiini Kupari M1 Messinki Ruostumaton teräs 12Х18Н10Т
10 0,014 0,00122 0,0040 -
20 0,010 0,00669 0,0201 0,0113
40 0,0775 0,0680 0,0795 0,0560
60 0,214 0,125 0,167 0,105
80 0,357 0,190 0,234 0,202
100 0,481 0,260 0,280 0,262
120 0,580 0,280 0,310 0,305
140 0,654 0,300 0,335 0,348
160 0,718 0,320 0,351 0,378
180 0,760 0,340 0,368 0,397
200 0,797 0,357 0,372 0,417
220 0,826 0,363 0,381 0,432
260 0,869 0,375 0,385 0,465
300 0,902 - 0,385 -

Taulukko 8 Kylmäaineen kulutus erilaisten metallien jäähdyttämiseksi kryogeenisessa tekniikassa

jäähdytysaine Metallin lämpötila, K Kylmäaineen kulutus, l / 1 kg metallia
Alumiini Ruostumaton teräs Kupari
Käytettäessä höyrystymislämpöä
Ei 300 - 4,2 64,0 30,4 28,0
77 - 4,2 3,2 1,44 2,16
N2 300 - 77 1,0 0,53 0,46
Käytettäessä höyrystymislämpöä ja kylmää höyryä
Ei 300 - 4,2 1,60 0,80 0,80
77 - 4,2 0,24 0,11 0,16
N2 300 - 77 0,64 0,34 0,29

Käytännössä saadaan välitulos, ja se riippuu sekä kryostaatin suunnittelusta että kokeilijan taitosta. Lopuksi, jos kryostaatti jäähdytetään etukäteen nestemäisellä typellä, niin kryostaatin täyttämiseen tarvittava heliumin määrä vähenee noin 20 kertaa. Tämä selitetään sillä, että kiintoaineiden lämpökapasiteetti meitä kiinnostavilla lämpötila-alueilla vaihtelee suunnilleen, kuten T3. Siksi suuri määrä heliumia säästyy ennakkojäähdytyksen aikana. Vaikka samaan aikaan tietenkin nestemäisen typen kulutus kasvaa. Kun käytetään nestemäistä typpeä välijäähdytykseen ja yleensä työskennellettäessä nestemäisen typen kanssa, on pidettävä mielessä seuraavat seikat. Lämpimän astian täyttöprosessissa nestemäisellä typellä tapahtuu ensin raju keittäminen, havaitaan nesteiden roiskumista (avoimissa astioissa) tai paineen nopeaa nousua suljetuissa astioissa. Sitten, kun astia tai esine jäähtyy, kiehumisesta tulee vähemmän rajua. Täyttövaiheessa astian pinta erotetaan nesteestä kaasukerroksella, jonka lämmönjohtavuus on 4,5 kertaa pienempi kuin nesteen lämmönjohtavuus. Jos jatkat nesteen kaatamista, kaasukerros ja sen alla oleva pinta jäähtyvät vähitellen, kunnes kaasukalvo katoaa ja suurin osa nesteestä tulee kosketukseen astian pinnan kanssa. Tämä alkaa toisen nopean kiehumisjakson. Nesteroiskeita ja nopeaa paineen nousua voi jälleen esiintyä. On huomattava, että höyryn valkoiset suihkut, jotka voidaan usein nähdä kaatamalla nestemäistä typpeä tai heliumia, edustavat ilmakehästä tiivistynyttä kosteutta, eivätkä kaasumaista typpeä tai heliumia, koska jälkimmäiset ovat värittömiä.


ylin