第378章 酸素と窒素
今回の実験は重要な実践的意義を持つだけでなく、絶好の教育機会でもあったため、ローランは参加者のアエゴサ、シルヴィー、チャメス、カイモ・ストゥイール以外にも、魔女連盟の他のメンバー、カーター、アイアンアックス、バルロフも全員呼び寄せた。この二十数名を収容するため、実験場所は最も広い第五実験室が選ばれた。
初めての試みということを考慮して、分留容器はそれほど大きくは作られず、およそ人の背丈ほどで、直径1メートル、塔のような形状だった。容器内部は三層に分かれており、最下層は給気用、上の二層は排気用となっていた。
分離を始める前に、ローランはまず全員に簡単な化学の講義を行い、起こりうる事象について説明し、ついでにいくつかの小さな問題を投げかけ、皆に答えを探させた——聴講者の興味を引くだけでなく、教育効果も大幅に高められる、これは化学教師がよく使う手法だった。
「……理論的には、アエゴサが容器内部の温度を下げると、空気は徐々に液化し、穴の開いた仕切り板を通って最下層に滴り落ちます。そのため、底部に液体が溜まるのを観察したら、私たちに知らせてください。」
直接目視できないため、シルヴィーが容器を通して観察し、変化を描写する必要があったので、ローランはこの部分を特に詳しく説明した。
シルヴィーは半信半疑で頷いた。「本当に液体が見えるの？瓶の中の水蒸気じゃないの？」
「大丈夫、液化空気は薄い青色で、水蒸気とは全く違います」とローランは手を振って言った。「それにその温度では、水蒸気はとっくに氷の結晶になっているはずです。」その後、彼はアエゴサに合図を送った。「では、始めましょう。」
「ちょっと待って……容器の底のこの穴は塞がなくていいの？」と彼女は尋ねた。
「後で塞ぎます。そうしないと容器内の空気が少なすぎて、明確な変化が観察できません。」実験だけなので、ローランは最も簡単な方法で給気することにした——容器内の気温が急速に下がると、圧力も下がり、外部の空気が絶えず容器内に流入する。通常の生産ではこの方法は全く割に合わない。冷気が絶えず失われ、エネルギーの無駄になるからだ。しかしアエゴサは魔力を使用し、その冷却効率はどんな冷却機よりもはるかに優れているため、ローランもわざわざ空気ポンプを用意する手間を省いた。
アエゴサは深く息を吸い、両手を蒸留塔に当てた。
数息の間に、給気管から風切り音が聞こえ始めた。それは空気が急速に流入する音だった。管の周りには肉眼で見えるほどの速さで次々と白い霜が現れ、それは広がり続けた——空気中の水分が溢れ出る低温で急速に凝結し、容器の外壁に付着したのだ。アンナは黒火を糸状にして、これらの絶えず厚くなる氷の結晶を取り除いていた。
しばらくすると、シルヴィーは驚いて言った。「仕切り板の上に液体が現れました。でも、白い霜の方が多いです。」
「白い霜は流入した水蒸気か、結晶化した二酸化炭素かもしれません」とローランは説明した。「空気中の二酸化炭素含有量は極めて低いことを考えると、大部分は水蒸気でしょう。」
正式な生産時には、空気が蒸留塔に吸入される前に、まず乾燥処理を行う必要がある。そうしないと、これらの水蒸気が凝結して層板と排気孔を詰まらせ、生産効率が低下してしまう。
約半刻後、シルヴィーが容器の底部が青い液体で満たされたと報告し、ようやくローランはソロヤに給気管を塞がせ、コーティングで密封させた。
次が重要な昇温段階だ。
窒素と酸素の融点と沸点が異なることから、窒素が最初に沸点に達し、気体となって上方に逃げ、それによって分離が実現される。この温度について、彼は具体的な数値を覚えておらず、現在は測定する手段もなかったため、アエゴサ自身が把握するしかなかった。その具体的な現象は、蒸留塔頂部の排気孔から気体が排出され、底部に残る液体がますます青くなることで、これは液体酸素の純度が絶えず高まっていることを意味していた。
幸いにも、アエゴサは魔力の制御に慣れており、彼女は精密に冷却の幅を調整し、徐々に温度を上昇させた。しばらくするとシルヴィーも液面の沸騰現象を観察した。水に通したコーティング管から気泡が出始め、カイモは水上置換法ですぐに数本の気体を集めた。
「これが窒素？」リリーは口を尖らせて言った。「全然何も見えないじゃない。」
「これが私が先ほど提起した最初の問題です」とローランは尋ねた。「どうやってこれが空気と異なることを証明できますか？」
「燃やす」とティリーが真っ先に答えた。「『初等化学』には燃焼には酸素が必要だと書いてあります。もしこれが別の気体なら、燃えている木片をすぐに消すはずです。」
「もう一度冷却して液体にすれば分かります」とアエゴサは少し考えてから言った。「窒素は液化すると無色だと言いましたよね？」
「あるいは容器に残った液体を取り出して、それが純粋な酸素であることを証明すれば、空気成分の多様性も証明できます」とアンナが口を開いた。
現場は完全に学力優秀者たちの舞台と化し、次々とテスト方法が提案され、互いに議論が交わされ、実験室には少数の人々の声しか残っていなかった。ローランは周りを見回すと、ナイチンゲール、アンドレア、マクシーなどの魔女たち、そして市庁舎総管と首席騎士カーターは、みな困惑した表情を浮かべていた。第一軍指揮官アイアンアックスはいつも同じ表情を保っており、おそらく自分が何を言っても、彼は頷いて同意するだけだろう。
まあいい、ローランは心の中で溜息をついた。どうやらこの化学の講義は少し難しすぎたようだ。
今、王子殿下の喜びを共有できる人は、おそらくカイモ・ストゥイールとチャメスだけだろう。
「殿下、これは本当に……素晴らしい」若い錬金術師は感嘆の声を上げた。「『初等化学』の正しさを証明されました。おそらくどの錬金術師も、身の回りにある空気がこれほど複雑だとは予想していなかったでしょう。」
「純粋な酸素があれば、より激しい酸化反応が観察できるのではないでしょうか？私はまた多くの実験をしてみたくなりました」とカイモは興奮して言った。
ローランは頷いたが、心の中では突然別の考えが浮かんだ。
窒素は人工アンモニア合成の最も重要な原料で、高温高圧に触媒を加えた条件下でハイドロジェンと反応させると、アンモニアが得られる。これは窒素肥料の製造に使用できるだけでなく、窒素酸化物の合成にも使用でき、それによって硝酸を製造できる。しかしこのプロセスを実現するには、まだ多くの作業が必要だ。例えば、ポンプ、真空ガスタンク、そして一連の複雑な反応装置など。たとえ白紙が触媒の機能を提供できたとしても、繰り返しの実験が必要だろう。
今、純酸素と純窒素を手に入れた以上、なぜ直接一酸化窒素を生産しないのか？
確かに、産業界がアンモニアから硝酸を製造することを選んだのは、酸素と窒素の反応が吸熱反応で、自発的に進行せず、外部からのエネルギー供給が必要だからだ。例えば放電——電弧で瞬間的に気体を数千度まで加熱して実現する。これは雷が頻繁に発生する地域の土壌がより肥沃である理由でもある。そのため、この方法は設備要求が高く、エネルギー消費が大きいため、正式な生産には適していない。
しかし、急いで生産能力を上げる必要がある場合、この生産方法が最も効率的で、触媒さえ必要としない。ただ継続的に放電するか……あるいは電弧が生み出す高温と同じ効果を得る他の手段を利用するだけでよい。
ローランは自然と黒火を思いついた。
黒火の加熱効率は電弧に劣らず、しかもアンナへの負担も極めて低い。窒素と酸素を精製した後、比率通りに混合して密閉された反応釜に注ぎ込めば、一酸化窒素を継続的に生成できる。
彼はこの方法で試してみることに決めた。
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