LIQUÉFACTION DES GAZ PERMANENTS

Premières expériences sur les gaz permanents. —

Les méthodes précédentes avaient permis de liquéfier presque tous les gaz : six seulement avaient résisté et ne présentaient aucune trace de condensation, même à — ixo° et sous des pressions variant de 27 à 50 atmosphères, Ces six gaz, qui avaient reçu pour cette raison le nom de ga\ permanents, sont : l’oxygène, l’hydrogène, l’azote, le bioxyde d’azote, l’oxyde de carbone et le méthane. Quelques tentatives faites en vue d’utiliser la pression seule, sans le secours du froid, n’avaient pas été plus heureuses. Aimé, en 1843, reprenant un mode d’expérimentation lantérieurement employé par Perkins, descendait dans la mer une vessie pleine de gaz et communiquant avec un tube manométrique rempli de mercure : il alla sans succès jusqu’à 220 atmosphères pour l’hydrogène et l'azote. En 1850, M. Berthelet comprima l’oxygène à 780 atmosphères dans une sorte de thermomètre en verre très épais, dont le réservoir était rempli de mercure et la tige de gaz : en chauffant le réservoir, on fait dilater le mercure qui pénètre dans la tige et comprime le gaz de plus en plus. Enfin, en 1854, Natterer soumit les gaz permanents à une pression de 2790 atmosphères sans plus de succès.

Point critique. — Les résultats négatifs des expériences qui précèdent semblaient démontrer qu’une augmentation de pression, même considérable, est insuffisante pour liquéfier les gaz permanents. Cette conclusion s’accorde avec celles qu’on peut déduire d’expé-

riences antérieures. En effet, dès 1822, Cagniard de la Tour, chauffant en vase clos différents liquides, les vit se transformer en vapeur presque sans changement de volume. Drion obtint des résultats identiques, en 1845, avec le gaz sulfureux, le chlorure d’éthyle, l’éther ordinaire. A la même époque, Faraday concluait, de ses propres expériences et de celles de Cagniard de la Tour, qu’il était impossible de liquéfier les gaz permanents sans recourir à un refroidissement énergique. « M. Cagniard de la Tour, dit-il, a montré qu’à une certaine température, et sous une pression suffisante, un liquide devenait un gaz transparent sans changer de volume. A cette température ou à une autre un peu supérieure, il n'est pas vraisemblable qu’aucune augmentation de pression, à moins qu’elle ne soit énorme, puisse liquéfier le gaz. Maintenant, la température de — no 0 est probablement, pour l’hydrogène, au-dessus de ce degré, et peut-être en est-il de même pour l’azote et l’oxygène, et alors il ne faut pas s’attendre à ce qu’aucune pression, excepté celle qu’accompagnerait un froid plus intense encore que tout ce qu’on a pu produire, puisse leur faire quitter leur état gazeux. » Quelques années après, M. Berthelot émettait aussi une opinion analogue. Mais l’existence d’une température limite fut surtout mise en évidence par Andrews.

Après avoir vérifié, en 1861, les résultats de Faraday, Andrews étudia la compressibilité de l’anhydride carbonique à diverses températures. Ce gaz était placé dans un tube vertical, terminé en haut par une partie capillaire ; il supportait, par l’intermédiaire d’un index de mercure, la pression exercée en enfonçant une vis d’acier dans un cylindre plein d’eau.

A 13°,1, la liquéfaction commence sous la pression de 48,89 atmosphères et, à 2i°,5, sous la pression de 61 atmosphères. Mais, à partir de 3o°,92, bien que, pour quelques degrés au-dessus de cette température on puisse encore observer, à un certain moment, une rapide diminution de yolume, ?ous l'influence d’un petit aççj’oi^

sement de pression, il ne se produit néanmoins aucun indice de liquéfaction. Si, après avoir liquéfié partiellelement, par la pression, une certaine quantité d’acide carbonique au-dessous de cette température, on chauffe peu à peu l’appareil jusqu’à 3i°,i, la surface de séparation du liquide et du gaz s’efface peu à peu, perd sa courbure et finit par disparaître. Le tube est alors rempli par un fluide homogène qui, lorsqu’on abaisse un peu la pression ou la température, présente des stries mouvanles ou ondoyantes traversant toute la masse.

Il semble bien résulter de ces diverses expériences qu’il existe pour tout corps une température critique, audessus de laquelle il est impossible de le faire passer de l’état gazeux à l’état liquide, quelle que soit la pression qu’on exerce sur lui.

Liquéfaction des gaz permanents par M. Cailletet et par M. Pictet.— C’est en s’appuyant sur les considérations relatives au point critique que M. Cailletet et M. Pictet

sont parvenus simultanément, et par des méthodes distinctes, à liquéfier les gaz permanents, en 1877.

M. Cailletet a employé le refroidissement seul ; mais ce qui caractérise sa méthode, c’est le procédé ingénieux par lequel il a obtenu la température très basse qui était nécessaire.

La figure 4 montre la forme définitive donnée à l’appareil. La partie essentielle est un tube T, représenté à part qui constitue une sorte de gros thermomètre,

it

Fig, 5 . —Tube-laboratoire de M. Cailletet.

ouvert à la partie inférieure, et dont le réservoir est enfermé dans un bloc d’acier B rempli de mercure. On produit, au moyen d'une presse hydraulique, une pression qui peut atteindre 300 atmosphères, puis on provoque une brusque détente du gaz en tournant vers la gauche le volant V’. Cette rapide dilatation fournit un abaissement de température considérable, et l’on voit le tube se remplir d’un brouillard épais dû certainement à la liquéfaction, peut-être même à la solidification du gaz.

Si l’on désigne par p etp', t et f, les pressions et les températures initiales et finales, par k, C et c le coefficient de dilatation et les deux chaleurs spécifiques du gaz, la température finale t’ est donnée, en admettant qu’il n’y ait pas liquéfaction, par l’équation C — c

(EL) c L±±!

Si l’on fait

t — O) p — 300 et p' ±= 1

on trouve

Le refroidissement peut donc être évalué à ôoo° environ. Tous les gaz permanents furent ainsiliquéfiés par détente : le bioxyde d’azote avait été porté d’abord à— ■ n # et

104 atmosphères, l’oxygène et l’oxyde de carbone à — 29 0 et 300 atmosphères. L’azote, «comprimé à 200 atmosphères à la température de 13 0 , puis subitementdétendu, se condensait de la manière la plus nette en produisant d’abord une masse semblable à un liquide pulvérisé, eu goutelettes d’un volume appréciable; puis le liquide disparaissait peu à peu des parois vers le centre du tube, en formant à la fin une sorte de colonne verticale dirigée suivant l’axe du tube lui-même.»

L’hydrogène, comprimé vers 300 atmosphères, puis brusquement détendu, donna « un brouillard excessivement fin et subtil qui remplit le tube et disparut subitement. » Le méthane, l’air dépouillé de vapeur d’eau et d’anhydride carbonique se comportèrent d’une manière analogue.

Le jour même où la découverte de M. Cailletet était communiquée à l’Académie des Sciences, M. Pictet annonçait, de son côté, qu’il était parvenu à liquéfier l’oxygène et l’hydrogène par un procédé tout différent, le 22 décembre 1877. L’appareil employé, dont la figure 6

montre les parties essentielles, était une sorte de tube de Faraday très résistant ; l’une des branches était constituée par une sorte d’obus A en fer forgé, pouvant supporter 1500 atmosphères, qui recevait les substances nécessaires pour produire le gaz étudié sous l’influence de la chaleur ; l’autre branche B G était un long tube de fer, énergique* ment refroidi par un système de réfrigérant en cascade, Ce tube était entouré d’un manchon M contenant de

l’acide carbonique liquide, dont une batterie de pompes, non représentée, provoquait l’évaporation rapide ; les vapeurs étaient refoulées dans un condenseur incliné, où elles reprenaient l’état liquide, et retombaient ensuite dans le manchon M. Pour diminuer la pression nécessaire, le condenseur était lui-même refroidi à — 65° par une circulation analogue d’anhydride sulfureux. L’enveloppe N contenait un mélange réfrigérant de glace et de sel. Un manomètre métallique D indiquait la pression intérieure.

Le tube de fer était ainsi porté à — 130°. Dans certaines expériénces, on a remplacé le gaz carbonique par le protoxyde d’azote, qui abaissait la température à — 140°.

L’oxygène était préparé avec le chlorate de potassium. En ouvrant un robinet à vis qui terminait l’appareil, M. Pictet vit ce corps s’échapper par l’ouverture E sous l’aspect d’un jet diaphane, entouré d’un cylindre concentrique d’un blanc éclatant, qu’il pensa être de l’oxygène solide. Il crut pouvoir fixer à 252 et à 273 atmosphères sa force élastique maxima pour les températures de — 140° et de — 130°.

L’hydrogène était préparé par l’action de la potasse sur le formiate de potassium. Pour ce corps, M. Pictet a cru observer « un jet opaque, d’une teinte bleu-acier très caractérisée » et, au-dessous, une zone blanchâtre et translucide. On entendait un bruit strident, semblable à celui que produit une barre de fer rouge plongée dans l’eau, et un crépitement « rappelant le son de grenaille jetée à terre ».

Malheureusement, on a reconnu quelques années plus tard que les résultats de M. Pictet étaient entachés de graves erreurs. Des expériences ultérieures ont montré que l’oxygène se liquéfie, à — 130°, sous une pression d’environ. 25 atmosphères. Quant à l’hydrogène, sa température critique étant bien inférieure à — 200° , il ne pouvait ni se liquéfier ni se solidifier dans le tube à —140 0 , comme M. Pictet a cru l’observer. Le bruit entendu provenait sans doute du courant gazeux s’échappant de

l’appareil sous l’énorme pression de 650 atmosphères, et, s’il y a eu liquéfaction, elle n’a pu se produire qu’au dehors de l’appareil, sous l’influence de la détente.