El nitrógeno líquido ( LN2 ) 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 incoloro y móvil 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 N 2 se conserva después de la licuefacción . La débil interacción de van der Waals entre las moléculas de N 2 da como resultado una pequeña 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 entrar en contacto con un objeto más cálido, envolviendo el objeto en una capa aislante de burbujas de gas nitrógeno. Este efecto, conocido como efecto Leidenfrost , ocurre 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]
Como fluido criogénico que congela rápidamente el tejido vivo, su manipulación y almacenamiento requieren aislamiento térmico . Se puede almacenar y transportar en frascos de vacío , manteniendo la temperatura constante a 77 K mediante la ebullición lenta del líquido. Dependiendo del tamaño y el diseño, el tiempo de retención de los frascos de vacío varía de unas pocas horas a unas pocas semanas. El desarrollo de recipientes de vacío superaislados presurizados ha permitido almacenar y transportar nitrógeno líquido durante períodos de tiempo más largos con pérdidas reducidas al 2 por ciento por día o menos. [3]
El nitrógeno líquido es una fuente compacta y de fácil transporte 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 , entre las que se incluyen:
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 congelados, como helado, que se pueden crear en unos momentos 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 que 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 se puede utilizar para enfriar rápidamente vasos o congelar ingredientes. [16] También se agrega a las bebidas para crear un efecto ahumado, que se produce cuando pequeñas gotas de nitrógeno líquido entran en contacto con el aire circundante, condensando el vapor que está presente de forma natural. [16]
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 de líquido a gas del nitrógeno es de 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 de la acumulación de presión posterior, 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 inferior y hacer volar las paredes del laboratorio a 0,1-0,2 m de sus cimientos. [18] En enero de 2021, una línea que transportaba nitrógeno líquido se rompió en una planta de procesamiento 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 derrame sobre la piel no provocará quemaduras inmediatas debido al efecto Leidenfrost , el gas que se evapora aísla térmicamente hasta cierto punto, como si se tocara un elemento caliente muy brevemente con un dedo mojado. Si el nitrógeno líquido logra acumularse en algún lugar, provocará quemaduras graves.
El nitrógeno líquido, al evaporarse, reduce la concentración de oxígeno en el aire y puede actuar como asfixiante , especialmente en espacios confinados . El nitrógeno es inodoro, incoloro e insípido y puede producir asfixia sin ninguna sensación ni aviso previo. [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 de derrames de gas en un espacio confinado. [23]
Los recipientes que contienen nitrógeno líquido pueden condensar el oxígeno del aire. El líquido en dichos recipientes se enriquece cada vez más con oxígeno (punto de ebullición 90 K; -183 °C; -298 °F) a medida que el nitrógeno se evapora, y puede causar una oxidación violenta de la materia orgánica. [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 fatales. Aparentemente, este fue el primer caso en la literatura médica de ingestión de nitrógeno líquido. [25] En 2012, a una joven en 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 oscilación de presión . Se utiliza un compresor de aire para comprimir el aire filtrado a alta presión; el gas a alta presión se enfría de nuevo a temperatura ambiente y se deja expandir a una presión baja. El aire en expansión se enfría mucho (el 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 requerida ] El nitrógeno líquido puede producirse para la venta directa o como un subproducto de la fabricación de oxígeno líquido utilizado para procesos industriales como la fabricación de acero . Las plantas de aire líquido que producen del orden de toneladas por día de producto comenzaron a construirse en la década de 1930, pero se volvieron muy comunes después de la Segunda Guerra Mundial; una gran planta moderna puede producir 3000 toneladas / día de productos de aire líquido. [27]
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