Nitrógeno líquido

Nitrógeno líquido—LN₂— es nitrógeno en estado líquido a baja temperatura. El nitrógeno líquido tiene un punto de ebullición de aproximadamente -195,8 °C (-320 °F; 77 K). Se produce industrialmente por destilación fraccionada de aire líquido. Es un líquido incoloro y móvil cuya viscosidad es aproximadamente una décima parte de la de la acetona. El nitrógeno líquido se usa ampliamente como refrigerante.

Propiedades físicas

El carácter diatómico de la molécula de N₂ se mantiene después de la licuefacción. La débil interacción de van der Waals entre las moléculas de N₂ da como resultado una pequeña atracción interatómica. Esta es la causa del punto de ebullición inusualmente bajo del nitrógeno.

La temperatura del nitrógeno líquido se puede reducir fácilmente a su punto de congelación −210 °C (−346 °F; 63 K) colocándolo en una cámara de vacío bombeada por una bomba de vacío. La eficacia del nitrógeno líquido como refrigerante está limitada por el hecho de que hierve inmediatamente al entrar en contacto con un objeto más caliente, envolviéndolo 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 un aguanieve de nitrógeno líquido y sólido en lugar de nitrógeno líquido solo.

Manejo

Como fluido criogénico que congela rápidamente el tejido vivo, su manipulación y almacenamiento requieren aislamiento térmico. Puede almacenarse y transportarse en frascos de vacío, manteniéndose constante la temperatura a 77 K por ebullición lenta del líquido. Según el tamaño y el diseño, el tiempo de mantenimiento de los matraces de vacío oscila entre unas pocas horas y unas pocas semanas. El desarrollo de recipientes de vacío superaislados presurizados ha permitido que el nitrógeno líquido se almacene y transporte durante períodos de tiempo más prolongados con pérdidas reducidas al 2 % por día o menos.

Usos

El nitrógeno líquido es una fuente compacta y fácil de transportar de gas nitrógeno seco, ya que no requiere presurización. Además, su capacidad para mantener temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua lo hace extremadamente útil en una amplia gama de aplicaciones, principalmente como refrigerante de ciclo abierto, que incluye:

• en crioterapia para la eliminación de lesiones cutáneas no rigurosas o potencialmente malignas, como verrugas y ceratosis actinica
• para almacenar células a baja temperatura para trabajos de laboratorio
• en criogénicos
• en un crioforo para demostrar la congelación rápida por evaporación
• como fuente de nitrógeno de respaldo en sistemas hipotéticos de prevención de incendios aéreos
• como fuente de gas de nitrógeno muy seco
• para la inmersión, congelación y transporte de productos alimenticios
• para la criopreservación de sangre, células reproductivas (esperma y huevo), y otras muestras y materiales biológicos
  • para preservar muestras de tejido de escisiones quirúrgicas para futuros estudios
  • para facilitar la crioconservación de los recursos genéticos animales
• para congelar las tuberías de agua y aceite para trabajar en ellas en situaciones donde una válvula no está disponible para bloquear el flujo de fluidos a la zona de trabajo; este método se conoce como un aislamiento criogénico
• para la preservación crionaria en esperanzas de futura reanimación
• para las piezas de maquinaria de ajuste reducido
• como un refrigerante
  • para cámaras CCD en astronomía
  • para un superconductor de alta temperatura a una temperatura suficiente para lograr la superconductividad
  • para mantener una baja temperatura alrededor del sistema de refrigeración de helio líquido primario de imanes superconductores de alto campo utilizados en, por ejemplo, espectrómetros de resonancia magnética nuclear y sistemas de imagen de resonancia magnética
  • para trampas de bomba de vacío y en procesos de evaporación controlada en química
  • como componente de baños de refrigeración utilizados para reacciones de temperatura muy baja en química
  • para aumentar la sensibilidad de los jefes de misiles de los buscadores de homing infrarrojos, como el Strela 3
  • para reducir temporalmente los componentes mecánicos durante el montaje de la máquina y permitir mejores ajustes de interferencia
  • para computadoras y overclocking extremo
  • para simulación de fondo espacial en cámara de vacío durante pruebas térmicas de naves espaciales
• en preparación de alimentos, como para hacer helados ultra-smooth. Vea también gastronomía molecular.
• inerte y presurización de contenedores inyectando una cantidad controlada de nitrógeno líquido justo antes de sellar o capping
• como una novedad cosmética que da un "efecto de caldera" a las bebidas. Ver cóctel de nitrógeno líquido.
• como medio de almacenamiento de energía
• ganado en congelación

Culinaria

El uso culinario del nitrógeno líquido se menciona en un libro de recetas de 1890 titulado Fancy Ices escrito por Agnes Marshall, pero ha sido empleado en tiempos más recientes por restaurantes en la preparación de postres congelados, como helado, que se puede crear en unos instantes en la mesa debido a la velocidad a la que enfría la comida. La rapidez de enfriamiento también conduce a la formación de cristales de hielo más pequeños, lo que proporciona al postre una textura más suave. 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. El nitrógeno líquido también se ha vuelto popular en la preparación de cócteles porque se puede usar para enfriar rápidamente vasos o congelar ingredientes. 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 presente de forma natural.

Origen

El nitrógeno se licuó por primera vez en la Universidad Jagellónica el 15 de abril de 1883 por los físicos polacos Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski.

Seguridad

Debido a que la relación de expansión de líquido a gas del nitrógeno es 1:694 a 20 °C (68 °F), se puede generar una gran 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 no funcionaban correctamente y luego se sellaron. Como resultado de la posterior acumulación de presión, el tanque falló catastróficamente. La fuerza de la explosión fue suficiente para impulsar el tanque a través del techo inmediatamente encima de él, romper una viga de hormigón armado inmediatamente debajo y volar las paredes del laboratorio de 0,1 a 0,2 m de sus cimientos.

Debido a su temperatura extremadamente baja, el manejo descuidado del nitrógeno líquido y cualquier objeto enfriado por él puede provocar quemaduras por frío. En ese caso, se deben usar guantes especiales durante la manipulación. Sin embargo, una pequeña salpicadura o incluso si cae sobre la piel no se quemará inmediatamente debido al efecto Leidenfrost, el gas que se evapora aísla térmicamente hasta cierto punto, como tocar un elemento caliente muy brevemente con un dedo mojado. Si el nitrógeno líquido logra acumularse en cualquier 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 o advertencia previa.

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.

Los recipientes que contienen nitrógeno líquido pueden condensar el oxígeno del aire. El líquido en un recipiente de este tipo se vuelve cada vez más rico en oxígeno (punto de ebullición 90 K; -183 °C; -298 °F) a medida que el nitrógeno se evapora y puede causar una oxidación violenta del material orgánico.

La ingestión de nitrógeno líquido puede causar daños internos graves, 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 calor corporal calienta el líquido. En 1997, un estudiante de física que demostraba el efecto Leidenfrost manteniendo nitrógeno líquido en la boca tragó accidentalmente la sustancia, lo que provocó lesiones casi fatales. Aparentemente, este fue el primer caso en la literatura médica de ingestión de nitrógeno líquido. En 2012, a una joven en Inglaterra le extirparon el estómago después de ingerir un cóctel hecho con nitrógeno líquido. 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, lo que provocó la muerte de seis personas y heridas a otras 11.

Producción

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 de nuevo a temperatura ambiente y se le permite expandirse a baja presión. El aire en expansión se enfría mucho (el efecto Joule-Thomson) y el oxígeno, el nitrógeno y el argón se separan mediante etapas adicionales de expansión y destilación. La producción a pequeña escala de nitrógeno líquido se logra fácilmente utilizando este principio. El nitrógeno líquido se puede producir 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 producían 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 planta grande y moderna puede producir 3000 toneladas/día de productos de aire líquido.