Air liquide

Ce liquide c'est de l'air, un liquide transparent comme de l'eau, extrêmement froid.

Véronique Varène (chimiste, Palais de la découverte)
Ca faisait longtemps que les savants se penchaient sur la liquéfaction de l'air. L'air comme toute matière peut passer par les trois états que vous connaissez, l'état gazeux, l'état liquide, ou l'état solide... ce que l'on voit quotidiennement, avec l'eau...Lavoisier disait, en 1775, que si l'on se trouvait placé dans des régions froides, l'air deviendrait liquide. Il avait tort, puisque quand on a découvert les pôles, on s'est bien rendu compte que l'air était encore gazeux.

Il faudra donc attendre une centaine d'années pour réussir à obtenir d'abord quelques gouttes, puis des quantités importantes, d'air liquide... On est ici au Palais de la découverte, à côté d'une grosse machine ; cette machine, c'est un liquéfacteur d'air... pour fabriquer de l'air liquide il faut arriver aux environs de moins 200 degrés. ll faut donc produire du froid, même du très grand froid. L'idée est simple : on comprime et on détend un gaz. Par compressions et détentes successives, la température baisse. Quand vous gonflez un pneu, l'air est comprimé, la pompe devient chaude. Quand vous dégonflez le pneu, l'air qui sort du pneu peut d'un seul coup occuper beaucoup plus de place, il se détend, il est plus froid, que l'air ambiant. Aujourd'hui, on ne procède pas par compression et détente d'air, mais par compression et détente d'un des gaz d'ailleurs composants de l'air, l'hélium.

Ici, on fait rentrer dans la machine un volume donné d'hélium sous pression... puis tout va se passer dans ce secteur, à ce niveau-là l'hélium va être comprimé... quand il est comprimé, il y a un dégagement de chaleur... cette chaleur, il faut l'évacuer, c'est pour ça qu'on fait rentrer de l'eau qui arrive par ce tuyau noir, et qui va repartir, par ce tuyau-là... ensuite, l'hélium est détendu, par compressions et détentes successives de l'hélium, on arrive à l'intérieur de l'enceinte à une température d'environ moins 200 degrés, à ce moment-là, par des orifices... situés sur les côtés, l'air gazeux de la pièce rentre dans la machine, et se condense sous forme de gouttelettes à l'intérieur de la paroi, ici... et il coule... c'est un liquide... on le récupère, là, dans ces bonbonnes, des cryostats, des bonbonnes adaptées au grand froid. Je vais maintenant mettre en route le liquéfacteur......

Il ne nous reste plus qu'à mettre un filtre, de façon à ce que les éléments... de l'air gazeux qui auraient pu passer à l'état solide, comme le gaz carbonique ou la vapeur d'eau, soient filtrés. Ce liquide c'est donc de l'air ! extrêmement froid... qu'est-ce qui vous le prouve ? simplement pour l'instant, le léger brouillard, que l'on voit se former à la sortie du tuyau, à proximité de l'air liquide. Et aussi sur le filtre, s'est déjà formé du givre et les amateurs d'effets spéciaux vont être ravis, l'air liquide peut les faire rêver... mais, quant à moi, je vous propose d'aller tester l'action du froid sur différents matériaux.

On transporte l'air liquide dans des bonbonnes de ce type, des cryostats, ce sont des thermos hyper performants, conçus sur le principe de ce vase qui s'appelle un vase Dewar du nom de son inventeur un chimiste et physicien anglais. Si vous regardez ici, vous pouvez constater qu'il y a deux parois, deux parois de verre, entre lesquelles on a fait un vide, assez poussé. On a pompé l'air par là, c'est pour ça qu'ici c'est pointu... Dans la bonbonne, même principe, deux parois entre lesquelles on fait le vide, et en plus, on a même argenté la dernière paroi sur sa face externe pour se protéger de la lumière qui est aussi une source de chaleur. On a un liquide extrêmement froid, on constate à nouveau le givre sur la bonbonne, et le brouillard givrant qui se dégage... Il est très froid, mais après tout vous êtes pas obligés de me croire, d'autant que c'est un liquide... bouillant... mais extrêmement froid... Tout le temps que met la paroi interne de ce vase à se refroidir à la température de l'air liquide, l'air liquide vous le voyez bout violemment. il bout mais il est très froid, ça va à l'encontre de nos idées reçues, je vais vous montrer tout de suite que c'est extrêmement froid. Je prends un petit peu d'eau, et j'en verse dans l'air liquide. L'eau réchauffe l'air liquide. Mais elle est plus dense que l'air liquide, et immédiatement, des glaçons se sont formés. Des glaçons express, on est en dessous de zéro, voire même en dessous de moins 4, la température du freezer, en dessous de moins 18, celle de votre congélateur, c'est déjà pas mal.

Je verse cette fois-ci de l'air liquide sur de l'eau, et comme tout à l'heure, on va produire un brouillard givrant important... L'air liquide c'est un mélange, essentiellement d'azote liquide et d'oxygène liquide. Il bout sans arrêt. Mais qui bout le premier... l'azote, ou l'oxygène ? J'enflamme un bout de bois, de façon à savoir si c'est l'azote, ou l'oxygène, qui bout le premier. Azote, ça vient du grec, ça veut dire "sans vie", ça éteint les flammes. Alors ici qu'est-ce qui se passe, l'air liquide bout sans arrêt, l'azote s'évapore le premier, la composition du mélange air liquide n'arrête pas de changer... plus le temps passe, plus il y a d'oxygène, et un bout de bois incandescent qui dans l'air ambiant qui contient en gros 20 % d'oxygène ne s'enflamme pas, dans l'air liquide, à moins 192 degrés, brûle très bien ! Ici déjà dans le liquide, on a environ moitié-moitié d'azote et d'oxygène. L'air liquide c'est donc dangereux. D'autant que regardez ce qui se passe... ici : le mélange s'alourdit. On voit... en-dessous... ça s'alourdit de plus en plus, de la glace commence à se former. Je garde un bout de bois incandescent, bientôt, quand il n'y aura plus que de l'oxygène, qui s'échappe, de l'oxygène liquide en train de bouillir ici et au-dessus de l'oxygène gazeux, le bout de bois va s'enflammer… L'air liquide est donc dangereux, parce que, c'est l'azote qui s'évapore le premier ; et arrive le moment où dans les bonbonnes il reste plus que de l'oxygène liquide pur, en train de bouillir. Il va donc falloir distiller l'air liquide, c'est-à-dire séparer l'azote de l'oxygène, de façon à utiliser à bon escient l'un ou l'autre.

On va donc pouvoir tester maintenant l'action du froid sur différents matériaux. On prend un thermomètre à mercure... le mercure est un métal liquide, à température ambiante. Un métal toxique, mais ce thermomètre, vous pouvez en croire notre verrier, est tout ce qu'il ya de plus fiable. Il ne risque pas de se casser, le tube est scellé des deux côtés, le mercure est piégé dedans. Le mercure coule, il est liquide. Il n'y a même pas de graduation sur ce thermomètre. Je plonge le tube de mercure dans l'air liquide… Toujours la même chose, le mercure réchauffe d'abord l'air liquide, qui bout violemment, et il faudra attendre que l'ébullition se calme, pour avoir du mercure à la température de l'air liquide. On y est presque... l'ébullition se calme...ça y est ! regardez ! le mercure n'est plus liquide, il est devenu solide, il ne coule plus ! on est donc en dessous de moins 38 virgule 87 degrés, température de solidification du mercure…

Prenons une lamelle de zinc... un métal tout ce qu'il y a de plus solide, à température ambiante. Le zinc a une propriété intéressante, on dit qu'il est malléable, ça veut dire que je peux le tordre dans tous les sens, essayer de le casser, je n'y arriverai pas ; ça sert à rien que je m'énerve dessus, je ne pourrai pas le casser, je vais même taper dessus... avec un marteau... je l'aplatis, c'est tout. Si le zinc est malléable, c'est parce qu'il est formé d'atomes de zinc bien sûr, qui ont une certaine position les uns par rapport aux autres, mais qui peuvent glisser légèrement les uns par rapport aux autres. S'il est exact que sous l'action du froid les métaux diminuent de volume, ce morceau de zinc va... diminuer de volume. S'il diminue de volume, c'est bien que les atomes qui le constituent vont se rapprocher les uns des autres. Seulement c'est tellement froid, moins 192 degrés et des poussières, pratiquement moins 193 degrés, ils en arrivent à un point, ces atomes de zinc, où ils sont trop serrés les uns par rapport aux autres, et le zinc devient cassant... Il y a donc eu sous l'action du froid, un changement d'état physique de la matière. Tout le temps où il sera en dessous de zéro y aura du givre dessus, il se réchauffe tout de même assez vite au contact avec l'air ambiant, et... je vais l'aider un petit peu à se réchauffer, en se réchauffant, petit à petit, il redevient malléable. C'est un phénomène réversible, un retour à l'état initial, le zinc a retrouvé... son volume de départ.

Alors vous savez on fait pas les expériences gratuitement, on cherche les applications industrielles, et l'application du froid aux métaux est vite trouvée. Deux pièces métalliques : un cylindre, et une pièce parallélépipédique. Je ne peux pas faire rentrer le cylindre à sa place, pourtant la pièce a été préparée, c'est légèrement évasé sur les bords, sur un ou deux millimètres. Rien à faire, ça n'entre pas. Je sais maintenant que les métaux diminuent de volume sous l'action du froid, je refroidis le cylindre. Quand l'ébullition sera calmée, ça signifiera que le cylindre sera à la température de l'air liquide. Il aura alors diminué de volume, il pourra rentrer facilement dans l'autre pièce, mais, vu son épaisseur, il va mettre un certain temps à se refroidir, pendant ce temps-là, je vais vous montrer autre chose. Le caoutchouc... est élastique... rien de nouveau là-dedans ! Le caoutchouc qu'est-ce que c'est, c'est un élastomère, c'est formé de macromolécules enchevêtrées les unes dans les autres, dans leur forme pelote. Si on sollicite le caoutchouc, on peut étirer ces macromolécules, et le caoutchouc est élastique. Si je refroidis ces morceaux de caoutchouc, dans l'air liquide, quand je... les sors de là, le froid a figé le caoutchouc dans sa forme pelote, il est impossible de l'étirer, on peut même... le casser... il est clair qu'on ne fera pas de conduits en caoutchouc pour transporter de l'air liquide ! ce caoutchouc se réchauffe... il se réchauffe, il va retrouver toute son élasticité, toutes se propriétés chimiques, c'est aussi un phénomène réversible, et l’on peut maintenant envisager d'utiliser le froid dans l'industrie du caoutchouc. Voilà... Pendant ce temps-là, le cylindre, lui, s'est refroidi, il a diminué de volume, et il rentre facilement dans cette pièce métallique-là. c'est tout à fait fiable comme technique d'emmanchement, ça permet de mettre en place des pièces métalliques, soumises à des forces centrifuges en particulier ; au moins on est certain qu'elles ne pourront pas se déboîter les unes des autres.

Maintenant, le froid... a une toute autre incidence sur la matière vivante. Cette feuille, comme vous, comme moi, elle a une structure cellulaire, et ses cellules contiennent, elles, énormément d'eau. C'est justement ce qui fait la caractéristique de la matière vivante.... Je plonge la feuille dans l'air liquide... à si basse température l'eau contenue dans les cellules de cette feuille va geler, l'eau gèle et devient solide, c'est pour ça que la feuille est dure, et que je peux la casser sans problème. L'eau est un des rares corps connus à augmenter de volume en gelant. Ici l'eau a gelé, augmenté de volume et a fait éclater les cellules. Cette feuille, cassée ou pas, est vouée à pourrir… Vous allez peut-être trouver absurde que je me pose la question de savoir si je peux ou non plonger mes doigts dans l'air liquide. Mes doigts, tout comme la feuille tout à l'heure, ont une structure cellulaire, et leurs cellules contiennent beaucoup d'eau. Mon doigt, mes doigts, sont plus chauds que la température d'ébullition de l'air liquide, qui varie entre celle de l'azote liquide, et de l'oxygène liquide. En gros, de moins 196 degrés à moins 183 degrés. Mon doigt va donc réchauffer l'air liquide, et autour de lui, instantanément, se forme un manchon gazeux. Je peux en verser sur ma main, à condition de prendre des précautions ! pas de bague, pas de frottement, rien qui empêche le passage des gouttes d'air liquide... ce phénomène s'appelle la caléfaction ; un phénomène qu'on observe finalement à chaque fois qu'on verse un liquide sur une surface plus chaude que sa température d'ébullition. Comme par exemple quand vous renversez de l'eau sur une plaque chauffante bien chaude, en tous cas plus chaude que sa température d'ébullition. Ici c'est pareil ! La table n'a aucun mal à réchauffer l'air liquide ! La table est à la température de la pièce, une partie de chaque goutte d'air liquide passe à l'état gazeux, et les gouttelettes d'air liquide filent, propulsées sur coussin d'air, jusqu'à évaporation totale.

Autre problème qu'il faut pas négliger, c'est le danger que représente le transport de ces gaz liquéfiés. Ici vous avez remarqué, la bouteille n'est pas fermée, heureusement d'ailleurs, sinon c'est une bombe qu'on a sur la table. Regardez plutôt : je verse un peu d'air liquide dans cette bouteille, et je la ferme avec un bouchon qui heureusement peut sauter... si je n'avais pas mis un bouchon qui pouvait sauter, la bouteille m'aurait explosé entre les doigts...