液体窒素
液体窒素
2013年のオンラインニュース協会カンファレンス中に、ジョージア州アトランタのフリーサイドメーカースペースで行われた液体窒素のデモンストレーション
液体窒素の入ったデュワー瓶を使って自家製アイスクリームを作る生徒たち

液体窒素（LN2 ）は、低温で液体の窒素です。沸点はおよそ-196℃（-321℉、77K）です。工業的には、液体空気の分留によって生産されます。液体窒素は無色の流動性のある液体で、粘度はアセトンの約10分の1 （室温では水の約30分の1 ）です。液体窒素は冷却剤として広く使用されています。

物理的特性

N 2分子の二原子分子としての性質は液化後も保持されます。N 2分子間の弱いファンデルワールス相互作用により、原子間引力は弱くなります。これが窒素の沸点が異常に低い原因です。[ 1 ]

液体窒素は、真空ポンプで真空引きされた真空チャンバー内に置くことで、容易に凝固点である−210℃（−346℉、63K）まで下げることができる。[ 2 ]液体窒素の冷却効率は、より温かい物体と接触すると直ちに沸騰し、物体を窒素ガスの泡の断熱層で包み込むという点によって制限される。ライデンフロスト効果として知られるこの効果は、あらゆる液体が沸点よりもはるかに高温の表面と接触したときに発生する。物体を液体窒素単独ではなく、液体窒素と固体窒素の混ざったスラッシュに浸すと、より速い冷却が得られる可能性がある。[ 2 ]

取り扱い

生体組織を急速に凍結させる極低温流体である液体窒素の取り扱いと保管には断熱が必要です。液体窒素は真空フラスコで保管・輸送することができ、液体をゆっくりと沸騰させることで温度を77 Kに一定に保ちます。真空フラスコの保持時間は、サイズと設計に応じて数時間から数週間にわたります。加圧式超断熱真空容器の開発により、液体窒素は1日あたり2%以下に損失を抑えながら、より長期間保管・輸送することが可能になりました。[ 3 ]

用途

極端な冷却が必要な場合、オーバークロックされたコンピュータの冷却に液体窒素が使用されることがあります。

液体窒素は、加圧を必要としないため、コンパクトで輸送が容易な乾燥窒素ガス源です。さらに、水の凝固点をはるかに下回る温度を維持できること、比熱が1040 J⋅kg⋅K⋅、蒸発熱が200 kJ⋅kg⋅であることから、主にオープンサイクル冷媒として、以下の用途を含む幅広い用途に非常に有用です。

料理

液体窒素で作られたミルクシェイク。グラスの上部から窒素蒸気が出ているのが見える。

液体窒素の料理への利用については、アグネス・マーシャル著の1890年のレシピ本「ファンシー・アイス」に記載されている。[ 13 ]最近ではレストランでアイスクリームなどの冷凍デザートの調理に利用されており、食品を素早く冷却できるため、テーブルで瞬く間に作ることができる。[ 13 ]急速に冷却することで氷の結晶も細かくなり、デザートの食感が滑らかになる。[ 13 ]この技術は、シェフのヘストン・ブルメンソールが自身のレストラン「ザ・ファット・ダック」で卵やベーコンのアイスクリームなどの冷凍料理を作るのに使用している。[ 13 ] [ 14 ]バーテンダーの中には、液体窒素を使ってグラスを素早く冷やしたり、材料を凍らせたり、液体窒素カクテルの主材料として加えたりする人もいる。[ 15 ]液体窒素の小さな液滴が周囲の空気と接触し、自然に存在する蒸気を凝縮することで、飲み物にスモーキーな効果を生み出します。[ 15 ]

歴史

窒素は1883年4月15日にヤギェウォ大学でポーランドの物理学者ジグムント・ヴロブレフスキとカロル・オルシェフスキによって初めて液化されました。[ 16 ]

安全性

貯蔵タンクから液体窒素デュワー瓶に充填する

窒素の液体から気体への膨張比は20℃（68℉）で1:694であるため、密閉空間で液体窒素を気化させると途方もない力が発生する可能性がある。2006年1月12日にテキサスA&M大学で発生した事故では、液体窒素タンクの圧力開放装置が故障し、後に密閉された。その後の圧力上昇の結果、タンクは壊滅的な破損を起こした。爆発の力は、タンクを真上の天井を突き破り、真下の鉄筋コンクリートの梁を粉砕し、実験室の壁を基礎から0.1～0.2メートル吹き飛ばすのに十分であった。[ 17 ] 2021年1月、米国ジョージア州の鶏肉加工工場で液体窒素を輸送するラインが破裂し、6人が死亡、11人が負傷した。[ 18 ]

液体窒素は非常に低温であるため、不注意に扱うと、液体窒素や液体窒素で冷却された物体は低温火傷を引き起こす可能性があります。その場合は、取り扱い時に専用の手袋を着用してください。しかし、少量の液体窒素が飛び散ったり、皮膚に流れ落ちたりしても、ライデンフロスト効果により、すぐに火傷を負うことはありません。ライデンフロスト効果とは、蒸発するガスがある程度断熱性を持つ効果で、濡れた指で高温の物体にほんの少し触れた時のような効果です。液体窒素がどこかに溜まってしまうと、重度の火傷を負います。

液体窒素は蒸発すると空気中の酸素濃度を低下させ、特に密閉空間では窒息を引き起こす可能性があります。窒素は無臭、無色、無味ですが、何の感覚も事前の警告もなく窒息を引き起こす可能性があります。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

酸素センサーは、液体窒素を扱う際の安全対策として、密閉空間へのガス漏れを作業者に警告するために使用されることがあります。[ 22 ]

液体窒素を収容した容器は、空気中の酸素を凝縮することができます。このような容器内の液体は、窒素が蒸発するにつれて酸素濃度が上昇し（沸点90 K、-183 °C、-298 °F）、有機物質の激しい酸化を引き起こす可能性があります。[ 23 ]

液体窒素を摂取すると、接触した組織の凍結や、体温で液体が温められる際に発生する窒素ガスの量により、深刻な内部損傷を引き起こす可能性があります。[ 24 ] 1997年、物理学の学生が口に液体窒素を含ませてライデンフロスト効果を実証していたところ、誤って液体窒素を飲み込み、致命傷を負いました。これは医学文献における液体窒素摂取の最初の症例とされています。[ 25 ] 2012年には、イギリスの若い女性が液体窒素を使ったカクテルを飲んだ後、胃を切除する手術を受けました。[ 26 ]

生産

液体窒素は、液化空気の極低温蒸留、または圧力スイング吸着法を用いて空気から得られる純窒素の液化によって商業的に生産される。空気圧縮機を用いて濾過された空気を高圧に圧縮する。高圧ガスは周囲温度まで冷却され、低圧まで膨張する。膨張した空気は大きく冷却され（ジュール・トムソン効果）、酸素、窒素、アルゴンはさらなる膨張と蒸留の段階を経て分離される。この原理を利用することで、液体窒素の小規模生産は容易に達成される。[ 27 ]液体窒素は直接販売用として生産される場合もあれば、製鉄などの工業プロセスで使用される液体酸素の製造時に副産物として生産される場合もある。1日あたり数トン規模の製品を生産する液体空気プラントの建設は1930年代に始まり、第二次世界大戦後に非常に普及した。近代的な大規模プラントでは、1日あたり3000トンの液体空気製品を生産することができる。[ 28 ]

参照

  • ウィキメディア・コモンズの液体窒素関連メディア

参考文献

  1. ^ Henshaw, DG; Hurst, DG; Pope, NK (1953). 「中性子回折による液体窒素、酸素、アルゴンの構造」. Physical Review . 92 (5): 1229– 1234. Bibcode : 1953PhRv...92.1229H . doi : 10.1103/PhysRev.92.1229 .
  2. ^ a b Umrath, W. (1974). 「電子顕微鏡における急速凍結のための冷却浴」. Journal of Microscopy . 101 : 103–105 . doi : 10.1111/j.1365-2818.1974.tb03871.x . S2CID 96286845 . 
  3. ^極低温ガスおよび機器のデータブック2014年5月17日アーカイブat the Wayback Machine . aspenycap.org
  4. ^ウェイナー、スコット、リッチモンド、ロバート (2003). 『オーバークロックの書：PCのパワーを最大限に引き出すための調整法』 No Starch Press. pp.  44. ISBN 1-886411-76-X。
  5. ^カラム、ロバート・D. (1998).システムエンジニアのための衛星熱制御. AIAA. p. 89. ISBN 1-56347-276-7。
  6. ^ ACI委員会207 – マスコンクリートの冷却および断熱システムに関する報告書
  7. ^液体窒素 – 効果的な投与方法 2013年6月16日アーカイブ、Wayback Machine、2012年6月19日
  8. ^ Chart Dosers Dosing Products Archived 2013-03-04 at the Wayback Machine , June 19, 2012
  9. ^ハラビン、ロジャー（2012年10月2日）「液体空気はエネルギー貯蔵の希望をもたらす」"。BBC。2019年2月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年6月22日閲覧。
  10. ^ Markham, Derek (2012年10月3日). 「冷凍空気電池はピーク需要に対応できる風力エネルギーを貯蔵できる」 . Treehugger . Discovery Communications. 2012年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年10月22日閲覧。
  11. ^ Dyer, Ted G. (2010年2月). 「牛の凍結焼印」(PDF) .
  12. ^ 「土壌凍結」。
  13. ^ a b c d「Who What Why: How dangerous is liquid nitrogen?」 BBCニュース2012年10月9日. 2012年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年10月9日閲覧。
  14. ^ Wallop, Harry (2012年10月9日). 「液体窒素カクテルのダークサイド」 .デイリー・テレグラフ. 2012年10月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年10月12日閲覧。
  15. ^ a b Gladwell, Amy (2012年10月9日). 「カクテルを飲んだティーンエイジャーの胃が摘出される」 . Newsbeat . BBC. 2012年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年10月9日閲覧。
  16. ^ティルデン、ウィリアム・オーガスタス (2009). 『現代における科学化学の進歩小史』ビブリオバザール社. p. 249. ISBN 978-1-103-35842-7. 2013年12月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年2月28日閲覧。
  17. ^ Mattox, Brent S. 「化学実験室301Aシリンダー爆発に関する調査報告書」（PDF）テキサスA&M大学。 2008年10月31日時点のオリジナル（再版）からアーカイブ。
  18. ^ウィリアム・フォーセット、マイケル・レベンソン（2021年1月28日）「ジョージア州養鶏場で液体窒素漏れ、6人死亡」ニューヨーク・タイムズ。2021年1月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  19. ^英国圧縮ガス協会 (2000) BCGA 実務規範 CP30. 50リットルまでの液体窒素デュワー瓶の安全な使用. 2007年7月18日アーカイブ、 Wayback Machine ISSN 0260-4809.
  20. ^閉鎖空間への進入 - 作業員と救助者候補が窒息Archived 2017-08-29 at the Wayback Machine、Valero 製油所窒息事故のケーススタディ。
  21. ^化学物質漏れで男性が死亡し調査中、BBCニュース、 1999年10月25日。
  22. ^液体窒素 – 取り扱いに関する実践規範. 英国：ロンドン大学バークベック校. 2007年. 2018年6月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年2月8日閲覧。
  23. ^ Levey, Christopher G. 「液体窒素の安全性」ダートマス大学セイヤー工学部。2016年3月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年6月23日閲覧。
  24. ^ザルド・アレドンド、カルロス1世;アバルカ・マガロン、アルフレド・S.ダマシオ ブルトン、ロベルト E.エストラーダ・ゴンザレス、ホセ・A.レアル・イスラ・フローレス、ヴァレリア（2025-04-24）。「液体窒素カクテル摂取後の胃穿孔: 症例報告」。クレウス。17 (4)。土井：10.7759/cureus.82897。ISSN 2168-8184。PMC 12103062。  
  25. ^ 「学生が医学文献に夢中になる」ウースター工科大学1999年1月20日オリジナルより2014年2月22日時点のアーカイブ。 2014年10月11日閲覧。
  26. ^液体窒素カクテルで10代の若者が病院に搬送、BBCニュース、 2012年10月8日。
  27. ^ 「CRYOGEN シリーズ - F-DGSi - PDF カタログ | 技術ドキュメント」。
  28. ^ Almqvist、Ebbe (2003)産業ガスの歴史、Springer、 ISBN 0306472775163ページ
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