Gdy gaz popłynie – historia skroplenia tlenu

Na pewno para wodna znajdująca się w powietrzu zamieniłaby się w śnieg, pokrywając wszystkie kontynenty. Oceany i morza zamarzając, stworzyłyby wielkie lodowisko. W tak drastycznie niskiej temperaturze również inne składniki atmosfery zmieniłyby swój stan skupienia. Tlen, który jest gazem stanowiącym 21% składu powietrza, skropliłby się i zalał całą planetę.

Nie wiem czy podobne do mojego pytania: „co by było gdyby?” postawili sobie naukowcy, którzy rozpoczęli badania nad gazami w niskich temperaturach, ale pewne jest, że uzyskanie ciekłego tlenu było przełomowe dla wielu dziedzin życia. Od momentu jego skroplenia – ponad sto trzydzieści lat temu – ciekła forma tlenu na dobre zadomowiła się w różnych gałęziach gospodarki, przemysłu oraz w medycynie.

Kwasoród

Tlen w języku greckim to oxygenium, co oznacza „tworzący kwasy”. Nazwa ta została zaproponowana przez francuskiego chemika Antoine Laurent de Lavoisiera w 1779 roku. Założył on, że tlen zawarty jest w każdym kwasie i to właśnie on determinuje ich właściwości. Określenie „kwasoród”, które jest polskim tłumaczeniem terminu oxygenium, dosyć długo funkcjonowało w naszym języku. Aktualną nazwę, pochodzącą od słowa „tlić” wprowadził przed rokiem 1851 polski lekarz Jan Oczapowski. Historia badań nad tlenem zaczyna się jednak wcześniej niż zaczęły funkcjonować obie wspomniane nazwy.

Do odkrycia tlenu doszło dopiero kilkaset lat temu – ale aż trzy razy! Przyjmuje się, że pierwszym odkrywcą tlenu był polski alchemik Michał Sędziwój, który uzyskał go w roku 1604 podczas prażenia saletry potasowej. Ta krystaliczna biała sól, która dzisiaj kojarzy się z nawozem sztucznym lub konserwantem mięsa, musiała być ogrzana przez niego minimum do 400°C. Właśnie w takiej temperaturze, podczas jej rozkładu, zaczyna ulatniać się z niej tlen, który nasz polski alchemik nazwał „pokarmem żywota”. Sędziwój już wtedy był świadomy, że jest on niezbędny do istnienia roślin i zwierząt. Wiele lat później tlen został ponownie odkryty, niezależnie przez szwedzko-niemieckiego aptekarza i chemika Carla Scheele’a (1772) oraz anglika Josepha Priestleya (1774), który również był chemikiem, zajmującym się dodatkowo m.in filozofią. Historia dotycząca autorstwa tego odkrycia jest dość zakręcona, ponieważ Scheele czekał na opublikowanie wyników swoich badań do 1777 r., natomiast Priestley zrobił to 2 lata wcześniej. Z tego powodu drugiemu z nich należy się pierwszeństwo w uznaniu odkrycia. Priestley początkowo myślał, że w wyniku ogrzewania tlenku rtęci (II) uzyskał zwykłe powietrze. Przeprowadzając doświadczenie ze świecą i myszą, które wskazywało, że zebrany gaz zachowuje się nieco inaczej niż to, czym na co dzień oddychamy, uświadomił sobie, że się mylił. W obecności tego „nowego” gazu płomień świecy palił się jaśniej, a mysz zamknięta razem z nim w naczyniu przeżywała znacznie dłużej niż w naczyniu ze zwykłym powietrzem.

Odkrycie tlenu dało początek wielu badaniom z jego użyciem. W niedalekiej przyszłości m.in. eksperymentom w niskich temperaturach, których rezultatem była zmiana jego stanu skupienia. Gorączkowy okres nad skraplaniem gazów rozpoczął się na przełomie XVIII i XIX w. W roku 1789 wspomniany Lavoisier stwierdził, że każdy gaz można uzyskać w postaci płynnej, ale trzeba zwiększyć ciśnienie. Do tego potrzeba jednak odpowiednich aparatów, których moc ze względu na stopień zaawansowania technologicznego była dość ograniczona. Przełomowym momentem było skroplenie prawie wszystkich znanych gazów przez angielskiego chemika i fizyka Michaela Faradaya w latach 1823-1845. Udało się to dzięki zastosowaniu ciśnienia 50 atmosfer oraz nowego czynnika chłodzącego. Był nim kwas węglowy, który w fazie stałej w ciekłym eterze dawał dość niską jak na tamte czasy temperaturę -110°C. W tych warunkach nie udało się jednak przeprowadzić w formę płynną gazów takich jak tlen, wodór, azot czy dwutlenek węgla. Nad skropleniem tych „stałych gazów” pracował również austriacki fizyk i chemik Johann Augustus Natterer. Mimo zastosowania ciśnienia 2800 atmosfer, bezskutecznie.  Znaczącym krokiem w uzyskaniu skroplonego tlenu, było zaobserwowanie jego mgły, która nie była jednak trwała. Udało się ją uzyskać dzięki rozwojowi aparatury ciśnieniowej. Obserwacji mgiełki tlenu dokonali niezależnie dwaj naukowcy – Szwed Raoul Pierre Pictet i Francuz Louis Paul Cailletet. Pierwszy z nich uzyskał ją pod zwiększonym do 320 atmosfer ciśnieniem w temperaturze -140 stopni. Drugi pod ciśnieniem o 20 atmosfer mniejszym. Rezultaty ich pracy zaprezentowane zostały 24 grudnia 1877 roku podczas posiedzenia Akademii Francuskiej w Paryżu.

Krakowskie powietrze

Uzyskanie tlenu w formie cieczy udało się w końcu dwóm profesorom Uniwersytetu Jagiellońskiego, Karolowi Olszewskiemu oraz Zygmuntowi Wróblewskiemu. W jaki sposób doszło do ich współpracy? Obaj naukowcy najprawdopodobniej spotkali się 20 stycznia 1883 roku na posiedzeniu Akademii Umiejętności. Tam Wróblewski podczas posiedzenia wydziału Matematyczno-Przyrodniczego wygłosił referat o gazach i cieczach. Panowie musieli  w podobny sposób rozumować, ponieważ już w lutym zabrali się do pierwszych prób skraplania tlenu. Eksperymenty były prowadzone w Zakładzie Fizyki mieszczącym się w obecnym Collegium Kołłątaja przy ulicy św. Anny 6 w Krakowie. Po kilku miesiącach pracy, 4 kwietnia 1883 roku, uczonym udało się uzyskać tę upragnioną ciecz.

Uniwersytet Jagielloński w tych latach był niewielką, niedawno repolonizowaną placówką, na której studiowało zaledwie około 800 studentów. Była to uczelnia raczej na uboczu niż w centrum światowej nauki. Po wysłaniu telegramu z treścią odkrycia do Francuskiej Akademii Nauk, co odbyło się 9 kwietnia, Uniwersytet powoli wychodził z cienia. Uczeni otrzymali wiele pisemnych gratulacji od ludzi polityki i nauki, a ich doświadczenie było szeroko komentowane zarówno w polskiej jak i zagranicznej prasie. Powściągliwymi byli jednak Francuzi, którzy nie mogli pogodzić się z faktem umknięcia im takiego wielkiego dokonania, nad którym również pracowali. Insynuowali oni, że pomysł został im ukradziony przez polskich badaczy. Faktycznie Wróblewski inspirował się rezultatami badań Louisa-Paula Cailleteta. Miał nawet okazję z nim rozmawiać na temat prac nad skraplaniem tlenu podczas wspomnianego posiedzenia Akademii Francuskiej. Jednak jego metoda i aparatura zostały zmodyfikowana przez polskich naukowców, którzy są pełnoprawnymi autorami tego przełomowego dzieła.

Uzyskanie tlenu w formie ciekłej miało duże znaczenie w rozwoju wielu dziedzin życia. Ułatwiło jego transport, magazynowanie oraz zapobiegło przed niekontrolowanym wyparowaniem.  Ponadto wiele substancji, które nie są wydajnie utleniane w tlenie atmosferycznym, łatwo ulegają temu procesowi w czystym tlenie. Dzieje się to głównie po przeprowadzeniu jego formy płynnej w fazę gazową. Dzięki tym oraz innym zaletom ciekły tlen używany jest w np. w przemyśle metalowym do obróbki metali wliczając w to czyszczenie, utwardzanie oraz ich spawanie. Znalazł on zastosowanie także w ochronie środowiska, gdzie służy do natleniania wody w procesie jej uzdatniania, w medycynie w aparatach tlenowych u pacjentów mających problemy z oddychaniem. Ciekłego tlenu używa się nawet w przemyśle kosmicznym – jako utleniacz w paliwach rakietowych. Zastosowano go między innymi w rakiecie Saturn IB, której głównym celem było wzniesienie statku Apollo na orbitę. Ponadto obecny jest w przemyśle chemicznym, papierniczym i petrochemicznym.

Skroplenie tlenu oraz pozostałych składników powietrza było nie tylko dodatkowym argumentem obalającym szufladkowanie substancji jako stałe, ciecze oraz lotne. Badania Wróblewskiego i Olszewskiego sprawiły, że polska nauka wyszła z cienia i stała się głównym ośrodkiem badań nad niskimi temperaturami przez wiele lat. Uzyskanie skroplonego tlenu umożliwiło również rozwój wielu gałęzi przemysłu, oraz opracowanie najróżniejszych technologii do dzisiaj stosowanych w miejscach tak różnorodnych i powszechnych, że jego obecność nie budzi już większych emocji. Dlatego może warto się zastanowić, jak wyglądałoby życie, gdybyśmy dopiero czekali na tak wielkie odkrycie.

Mariusz Gogól