El nitrógeno líquido ( LN 2) es nitrógeno en estado líquido a baja temperatura. El nitrógeno líquido tiene un punto de ebullición de aproximadamente -196 °C (-321 °F; 77 K). Se produce industrialmente mediante destilación fraccionada de aire líquido . Es un líquido móvil e incoloro cuya viscosidad es aproximadamente una décima parte de la de la acetona (es decir, aproximadamente una trigésima parte de la del agua a temperatura ambiente). El nitrógeno líquido se utiliza ampliamente como refrigerante .
El carácter diatómico de la molécula de N2 se conserva después de la licuefacción . La débil interacción de Van der Waals entre las moléculas de N 2 da como resultado poca atracción interatómica. Esta es la causa del punto de ebullición inusualmente bajo del nitrógeno . [1]
La temperatura del nitrógeno líquido se puede reducir fácilmente hasta su punto de congelación -210 °C (-346 °F; 63 K) colocándolo en una cámara de vacío bombeada por una bomba de vacío . [2] La eficiencia del nitrógeno líquido como refrigerante está limitada por el hecho de que hierve inmediatamente al contacto con un objeto más caliente, envolviendo el objeto en una capa aislante de burbujas de gas nitrógeno. Este efecto, conocido como efecto Leidenfrost , se produce cuando cualquier líquido entra en contacto con una superficie que está significativamente más caliente que su punto de ebullición. Se puede obtener un enfriamiento más rápido sumergiendo un objeto en una mezcla de nitrógeno líquido y sólido en lugar de nitrógeno líquido solo. [2]
Al ser un fluido criogénico que congela rápidamente el tejido vivo, su manipulación y almacenamiento requieren aislamiento térmico . Puede almacenarse y transportarse en matraces de vacío , manteniéndose constante la temperatura en 77 K mediante ebullición lenta del líquido. Dependiendo del tamaño y del diseño, el tiempo de conservación de los termos oscila entre unas pocas horas y unas pocas semanas. El desarrollo de recipientes de vacío presurizados y súper aislados ha permitido almacenar y transportar nitrógeno líquido durante períodos de tiempo más largos con pérdidas reducidas al 2% por día o menos. [3]
El nitrógeno líquido es una fuente compacta y fácilmente transportable de gas nitrógeno seco, ya que no requiere presurización. Además, su capacidad para mantener temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua, su calor específico de 1040 j ⋅kg -1 ⋅k -1 y su calor de vaporización de 200 kj⋅kg -1 lo hacen extremadamente útil en una amplia gama de aplicaciones, principalmente como refrigerante de ciclo abierto , que incluye:
El uso culinario del nitrógeno líquido se menciona en un libro de recetas de 1890 titulado Fancy Ices escrito por Agnes Marshall , [14] pero ha sido empleado en tiempos más recientes por restaurantes en la preparación de postres helados, como helados, que se pueden crear en unos instantes en la mesa debido a la velocidad a la que enfría los alimentos. [14] La rapidez del enfriamiento también conduce a la formación de cristales de hielo más pequeños, lo que proporciona al postre una textura más suave. [14] La técnica es empleada por el chef Heston Blumenthal, quien la ha utilizado en su restaurante, The Fat Duck , para crear platos congelados como helado de huevo y tocino. [14] [15] El nitrógeno líquido también se ha vuelto popular en la preparación de cócteles porque puede usarse para enfriar vasos o congelar ingredientes rápidamente. [16] También se agrega a las bebidas para crear un efecto ahumado, que ocurre cuando pequeñas gotas de nitrógeno líquido entran en contacto con el aire circundante, condensando el vapor que está presente naturalmente. [dieciséis]
El nitrógeno fue licuado por primera vez en la Universidad Jagellónica el 15 de abril de 1883 por los físicos polacos Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski . [17]
Debido a que la relación de expansión líquido-gas del nitrógeno es 1:694 a 20 °C (68 °F), se puede generar una enorme cantidad de fuerza si el nitrógeno líquido se vaporiza en un espacio cerrado. En un incidente ocurrido el 12 de enero de 2006 en la Universidad Texas A&M , los dispositivos de alivio de presión de un tanque de nitrógeno líquido funcionaron mal y luego se sellaron. Como resultado del posterior aumento de presión, el tanque falló catastróficamente. La fuerza de la explosión fue suficiente para impulsar el tanque a través del techo inmediatamente superior, romper una viga de hormigón armado inmediatamente debajo y volar las paredes del laboratorio entre 0,1 y 0,2 m de sus cimientos. [18] En enero de 2021, una línea que transportaba nitrógeno líquido se rompió en una planta procesadora de aves de corral en el estado estadounidense de Georgia, matando a seis personas e hiriendo a otras 11. [19]
Debido a su temperatura extremadamente baja, la manipulación descuidada del nitrógeno líquido y de cualquier objeto enfriado por él puede provocar quemaduras por frío . En ese caso, se deben utilizar guantes especiales durante la manipulación. Sin embargo, una pequeña salpicadura o incluso un vertido sobre la piel no quemará inmediatamente debido al efecto Leidenfrost , el gas que se evapora aisla térmicamente hasta cierto punto, como tocar un elemento caliente muy brevemente con un dedo mojado. Si el nitrógeno líquido logra acumularse en algún lugar, se quemará gravemente.
A medida que el nitrógeno líquido se evapora, reduce la concentración de oxígeno en el aire y puede actuar como asfixiante , especialmente en espacios reducidos . El nitrógeno es inodoro, incoloro e insípido y puede producir asfixia sin ninguna sensación ni previo aviso. [20] [21] [22]
Los sensores de oxígeno a veces se utilizan como medida de seguridad cuando se trabaja con nitrógeno líquido para alertar a los trabajadores sobre derrames de gas en un espacio confinado. [23]
Los recipientes que contienen nitrógeno líquido pueden condensar oxígeno del aire. El líquido en un recipiente de este tipo se enriquece cada vez más en oxígeno (punto de ebullición 90 K; -183 °C; -298 °F) a medida que el nitrógeno se evapora y puede provocar una oxidación violenta del material orgánico. [24]
La ingestión de nitrógeno líquido puede causar graves daños internos, debido a la congelación de los tejidos que entran en contacto con él y al volumen de nitrógeno gaseoso que se desprende a medida que el líquido se calienta con el calor corporal. En 1997, un estudiante de física que demostraba el efecto Leidenfrost manteniendo nitrógeno líquido en la boca tragó accidentalmente la sustancia, lo que le provocó lesiones casi mortales. Aparentemente, este fue el primer caso en la literatura médica de ingestión de nitrógeno líquido. [25] En 2012, a una joven de Inglaterra le extirparon el estómago después de ingerir un cóctel elaborado con nitrógeno líquido. [26]
El nitrógeno líquido se produce comercialmente a partir de la destilación criogénica de aire licuado o de la licuefacción de nitrógeno puro derivado del aire mediante adsorción por cambio de presión . Se utiliza un compresor de aire para comprimir el aire filtrado a alta presión; el gas a alta presión se enfría nuevamente a temperatura ambiente y se le permite expandirse a baja presión. El aire en expansión se enfría mucho ( efecto Joule-Thomson ) y el oxígeno, el nitrógeno y el argón se separan mediante etapas posteriores de expansión y destilación. La producción a pequeña escala de nitrógeno líquido se logra fácilmente utilizando este principio. [ cita necesaria ] El nitrógeno líquido se puede producir para la venta directa o como subproducto de la fabricación de oxígeno líquido utilizado para procesos industriales como la fabricación de acero . Las plantas de aire líquido que producían del orden de toneladas diarias de producto comenzaron a construirse en la década de 1930, pero se volvieron muy comunes después de la Segunda Guerra Mundial; una planta grande y moderna puede producir 3000 toneladas/día de productos de aire líquidos. [27]