III. — LIQUÉFACTION DES GAZ

784. GaE et vapeurs. — Quand on fait arriver de Tanhydride sulfureux dans un matras entouré d'un mélange réfrigérant de neige et de sel marin, le gaz se condense en un liquide limpide incolore; Si on chauffe ce liquide, il entre en ébullition, et un thermomètre y marque une température constante de — 10". L'anhydride sulfureux s'est donc comporté dans cette circonstance comme de la vapeur d'eau qu'on dirige dans un ballon refroidi. D'autre part, on a déterminé à diverses températures les tensions maxima de la vapeur de ce nouveau liquide ; les résultats obtenus par Regnault sont analogues à ceux qu'avait fournis la vapeur d'eau et peuvent être représentés par une formule de même forme. Ce qui vient d'être dit pour l'acide sulfureux peut être répété, d'une manière générale, pour tous les gaz ; la figure 541 montre les courbes de tension maxima de quelques gaz; elles sont, en tout point, semblables h celles des vapeurs des corps liquides à la température ordinaire (782).

D'autre part, la vapeur d'eau qui n'est pas au contact du liquide obéit à peu près à la loi de Mariotte, c'est-à-dire se comporte comme les gaz proprement dits.

Il n'y a donc pas de diflFérence essentielle entre ce que nous appelons vapeur ou gaz ; nous appelons gaz des vapeurs qui sont loin de leur point de saturation, vapeurs, des gaz voisins de leur point de liquéfaction. La grande diversité des températures de condensation des différents corps oblige seulement le physicien à recourir à des procédés expérimentaux fort divers pour étudier les différentes substances.

785. LiqoéfaeUon par compressioii. — Il résulte de ce qui précède qu'on pourra, en général, liquéfier un gaz de deux façons : ou bien en le comprimant^ k la température ordinaire, jusqu'à ce que la pression atteigne la valeur de la tension maxima à cette température, ou bien en le refroidissant jusqu'à la température à laquelle sa tension maxima est égale à la pression atmosphérique. Le plus souvent, on combinera les deux moyens.

Premières expériences de Faraday, — Faraday fit connaître en 1823 une méthode qui permet de liquéfier la plupart des gaz par la compression seule. Cette méthode consiste à enfermer dans un tube

SECOND CHANGEMENT D ETAT

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Fig. 541.

AB (fig. 542) recourbé en forme de V renversé, un composé chimique qui, sous Faction de la chaleur, abandonne le gaz à liquéfier. Pour liquéfier le chlore, par exemple, on introduit dans Tune des branches, A» du tube, de Thydrate de chlore, puis, le tube ayant été fermé, on maintient la branche vide B à basse température à Taide d'eau froide ou mieux de glace, tandis qu'on chauffe l'autre légèrement au bain-marie; bientôt, le chlore qui se dégage se liquéfie dans la branche froide. On liquéfie de même Tacide sulfhydrique en décomposant le bisulfure d'hydrogène, le gaz ammoniac avec le chlorure d'argent ammoniacal, le cyanogène avec le paracyanogène, le protoxyde d'azote avec l'azotate d'ammoniaque. Quand le composé présente, comme l'hydrate de chlore, le chlorure d*argent ammoniacal, le paracyanogène, une tension de

Fig. 542.

Fig. 543.

dissociation, les températures des deux branches du tube doivent être telles que la tension de dissociation à la température de la branche chaude soit supérieure à la tension maœima de vaporisation à la température de la branche froide.

Melsens, utilisant la propriété que possède le charbon de condenser à froid un grand nombre de gaz pour les dégager à chaud, remplace, dans la branche chaude, *le composé par du charbon saturé de gaz.

Faraday a aussi imaginé d'enfermer dans un tube deux substances qui, en réagissant Tune sur l'autre, dégagent le gaz qu'il s'agit de condenser. On se sert, pour cela, d'un tube plusieurs fois recourbé, ABCDE (fig. 543), dans lequel les deux corps sont introduits séparément, l'un en B, l'autre en D. Ayant ensuite fermé les extrémités A et E, on renverse l'appareil de manière à amener le tout dans la même branche AB ; la réaction se produit alors, et le gaz se liquéfie dans l'autre branche DE qu'on a soin de refroidir. Faraday a pu liquéfier ainsi l'acide chlorhydrique et l'anhydride carbonique.

Appareil de Thilorier. — Thilorier construisit en 1835 un appareil permettant de réaliser, par la méthode de Faraday, la liquéfaction d'une grande quantité d'anhydride carbonique. Chacune des branches du tube de Faraday est représentée par un vase de fonte à parois

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SECOND CHANGEMENT D ETAT

très résistantes et cerclé de fer; dans Tun on produit le gaz à liquéfier, dans Tautre, on le condense. La figure 544 représente Tappa-^ reil producteur; il peut être fermé à Taide d'un large bouchon à yîs, G, percé d'un canal coudé aboutissant en E; une vis, D, terminée en pointe, permet de fermer ce canal ou de laisser Tappareil en communication avec le condenseur. Avant de mettre en place le bouchon G, on introduit en A du bicarbonate de soude avec un peu d'eau tiède; au bouchon est fixé un tube de cuivre B contenant de Tacide sulfurique. Si, après avoir fermé l'appareil, on Tincline sur les pivots M et N, l'acide sulfurique se répand sur le sel et en dégage

l'anhydride carbonique. On met alors l'appareil en communication avec le récipient condenseur où le gaz se condense en vertu du principe de Watt.

Appareil de M, F. Carré. — L'appareil de M. F. Garré, spécialement destiné à la fabrica-

Fig. 544.

Fig. 545.

tion de la glace par l'ammoniaque, est encore une application de la méthode de Faraday. Le récipient A (fig. 545) renferme une dissolution concentrée de gaz ammoniac; quand on la chauffe, le gaz se dégage, soulève la soupape B et va se condenser dans le récipient G au milieu duquel on a placé l'eau qu'il s'agit de congeler. Si on laisse ensuite l'eau de la dissolution se refroidir, le gaz peut être de nouveau absorbé : il se dégage du récipient G, soulève une soupape placée à l'extrémité du tube DE et revient par ce tube se dissoudre à la partie inférieure du récipient A.

Appareil de M, Cailletet. — On peut aussi comprimer le. gaz à liquéfier à l'aide d'une pompe. L'appareil suivant, imaginé par M. Cailletet, permet d'obtenir facilement la liquéfaction, à la température ordinaire, de la plupart des gaz. Le gaz sur lequel on veut

Opérer eat introduit dans un tube AB (fig. fitô) capillaire h sa partie supérieure qu'on ferme ensuite à la lampe, large il sa partie inférieure. Ce tube est mastiqué dans une pièce mêlallique DD qu'un bouchon & vis FF maintient appliquée à la partie supérieure d'un bloc de fonte EE contenant du mercure. Le tube plonge ainsi par son extrémité inférieure dans le mercure; sa partie supérieure, qui

Fig. 5«. Fig. 547. Fig. 54S.

dépasse seule le bouchon à vis, est entourée d'un manchon de verre G plein d'eau froide, et d'une cloche H destinée îi préserver l'opérateur dans le cas où le tube se briserait. En K se trouve une tubulure mise en communication, par un tube métallique flexible, avec une pompe de compression de construction spéciale, à l'aide de laquelle on peut injecter de l'eau dans le bloc de fonte; cette eau refoule le mercure dans le tube de verre, et le fait monter jusque dans la partie capillaire; le gaz, .réduit ainsi k un très petit volume, acquiert une tension considérable et se liquéfie.

Appareil de Natterer. — L'appareil précédent ne permet d'opérer que sur de très faibles quantités de matière; mais on peut aussi

SECOND CHANGEMENT D ETAT 709

employer des machines de compressiop pour liquéfier une grande masse de gaz.

L'appareil de Natterer est spécialement destiné k la liquéfaction du protoxyde d*a$Qte. Il se compose essentiellement d'un récipient E (fig. 547) k parois de bronze, sur lequel peut se visser un petit corps de pompe AB dont on fait mouvoir rapidement le piston à Taide d'une manivelle. Le gaz, introduit en G, soulève la soupape D et se liquéfie ; un bouchon à vis permet de le laisser s'échapper par l'orifice F. On facilite la condensation en entourant de glace le récipient E; il importe aussi d'entourer d'eau froide le corps de pompe AB pour éviter l'élévation de température qu'occasionnerait le dégagement de chaleur produit par le mouvement rapide du piston.

Pompe de M, Cailletet. — Une pompe construite plus récemment par M. Cailletet permet de liquéfier plus rapidement encore de grandes quantités de gaz, en particulier d'éthylène. Dans un corps de pompe renversé BB (fig. 548) se meut, à l'aide d'une manivelle, un piston A recouvert de mercure. Quand ce piston est au bas de sa course, un robinet S à voie coudée s'ouvre automatiquement et laisse le gaz pénétrer par le tube T; le robinet se referme dès que le piston monte, le gaz emprisonné s'échappe par une soupape d'ébonite dans une cloche G, placée à la partie supérieure du corps de pompe, d'où il passe, par un tube DE, dans un appareil condenseur. La présence du mercure au-dessus du piston supprime tout espace nuisible; la soupape se referme aussitôt qu'il redescend et il laisse le vide au-dessus de lui jusqu'à ce que le robinet S s'ouvre de nouveau. A sa partie inférieure, le corps de pompe est fermé par des cuirs emboutis imprégnés de vaseline.

Le gaz ainsi comprimé est condensé dans une série de tubes de cuivre dont l'ensemble off're une résistance plus grande qu'un récipient unique.

786. Liquéfaction pur refroidissement. — Un refroidissement suffisamment énergique permet de condenser un certain nombre de gaz sous la pression atmosphérique : l'anhydride sulfureux se liquéfie à la température d'un mélange réfrigérant de glace et de sel marin, le gaz amnoniac dans un mélange de chlorure de calcium cristallisé et de neige.

Quand on a liquéfié un gaz par compression, on peut obtenir des froids bien plus intenses qu'avec les mélanges réfrigérants en abandonnant le liquide obtenu sous la pression atmosphérique, ou mieux en activant son évaporation par un courant d'air ou en faisant le vide (766 et 767). Le cyanogène, par exemple, se liquéfie facilement à, la température du chlorure de méthyle dans lequel on fait passer de l'air.

787. Liqaéfaeli^a par e^aipresaiMi et reHroidlsseneiit. — Secondes expériences de Faraday, — Dans une seconde série d'expériences, publiée en 1845, Faraday employa concurremment le refroidissement et la pression pour liquéfier de nouveaux gaz : ces gaz, comprimés jusqu'à 50 atmosphères, étaient refroidis en même temps par un mélange d'anhydride carbonique et d'éther placé dans le vide d'une machine pneumatique et dont la température peut être évaluée à — 110** environ. Faraday liquéfia ainsi Téthylène, le fluorure de silicium, le phosphure et Farséniure d'hydrogène, et solidifia les acides bromhydrique, iodhydrique, sulfhydrique, hypochloreux, le protoxyde d'azote et le gaz ammoniac. Six gaz seulement résistèrent à ses efforts : c'étaient le formène, l'oxygène, l'azote, le bioxyde d'azote, l'oxyde de carbone et l'hydrogène.

Depuis, on a pu liquéfier les cinq premiers de ces gaz en les comprimant k la température de l'éthylène évaporé rapidement dans le vide.

L'appareil de M. Gailletet peut servir pour la plupart de ces expériences : à cet effet, on recourbe l'extrémité B (fig. 546) de la chambre à gaz et on l'entoure soit d'un mélange réfrigérant, soit d'un liquide volatil qu'on refroidit par un courant d'air ou dans le vide.

788. Llquéfaetlon par détente. — Quand on extrait l'anhydride carbonique de l'appareil de Thilorier, le froid produit par la détente est tel qu'une partie du gaz se condense à l'état solide. Si on liquéfie le même corps dans l'appareil de M. Gailletet et que, après avoir vu apparaître une goutte liquide au*dessus du mercure, on fasse communiquer un instant la pompe avec l'atmosphère pour diminuer la pression, on voit le tube se remplir d'un nuage blanc qui ne tarde pas à se dissiper par suite du réchauffement du gaz au contact des parois relativement chaudes du tube. Or il n'est pas nécessaire, pour produire cette condensation, d'avoir comprimé le gaz jusqu'à sa tension maxima, et le froid produit par la détente permet, malgré la diminution de pression qui l'accompagne, de liquéfier les substances les plus réfractaires à la condensation, comme l'ont montré M. Gailletet et M: Pictet en 1877, en condensant ainsi les gaz que Faraday n'avait pas pu liquéfier.

Pour calculer, au moins approximativement, le refroidissement résultant de la détente, supposons que les lois de Mariotte et de Gay-Lussac restent exactes à ces basses températures. Soient v^p et t le volume, la pression et la température du gaz avant la détente, v\p\ et t' les mêmes quantités immédiatement après la détente, c'est-à-dire avant qu'il y ait eu aucun échange de chaleur entre le gaz et les parois. La loi de Mariotte donne

v'p' vp

SECOND CHANGEMENT d'ÉTAT .7il

et la loi de La^lace (732)

En éliminant — entre ces deux équations, il vient