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Vorführungen für Lehrkräfte geeignet, teilweise unter Mitarbeit der Schülerinnen und Schüler  
Inhalt
Bezugsquellen Umgang mit flüssigem Stickstoff Demonstration 1 Ballons schrumpfen Demonstration 2 Aufglühen einer Zigarette in flüssiger Luft Demonstration 3 Leidenfrost-Phänomen Demonstration 4 Veränderung der Elastizität bei Stoffen Ergänzende Informationen Literatur
Informationen, wer bei
flüssigen Stickstoff in der näheren Umgebung liefert, erhält
man in Deutschland und in Österreich bei der Linde
AG, in der Schweiz bei der Pangas oder bei der Carbagas.
Aufgrund des Gefahrenpotentials lässt man sich den flüssigen
Stickstoff am besten an die Schule liefern. Behälter mit 10 oder 25
Liter sind geeignet. Die Firmen
liefern den Stickstoff in einem Dewar-Behälter. Sie
stellen manchmal auch einen oben offenen und eimerförmigen
Behälter zum Schrumpfen von Luftballons zur Verfügung.
Für die
anderen Demonstrationen wird ein kleinerer, transparenter
Dewar-Behälter
benötigt. Die Firma KGW
liefert auf Sonderanfertigung einen unversilberten Dewar-Behälter
mit einer transparenten Splitter-Schutzauflage. Dieses wurde bei den verfilmten
Versuchen hier eingesetzt. Ein gewöhnlicher Standzylinder könnte
aufgrund der tiefen Temperaturen zerspringen. Von Experimenten mit flüssiger
Luft oder mit flüssigem Sauerstoff ist abzuraten, da hierbei gefährliche
Explosionen auftreten können.
Stickstoff verflüssigt sich unterhalb einer Temperatur von −195,82 °C zu einer farblosen, bei Zimmertemperatur dampfenden Flüssigkeit. Berührungen mit derartigen „tiefkalten“ Flüssigkeiten sind unbedingt zu vermeiden, da dabei schwere Erfrierungen auftreten können. Folgende Sicherheitsvorkehrungen sind einzuhalten:
Ein offener Dewar-Behälter
mit zehn Liter Inhalt wird mit drei Liter flüssigem Stickstoff gefüllt. Achtung vor Spritzern!
Dann bläst man mehrere Luftballons auf und wirft sie hinein.
Nach dem Schrumpfen der Ballons holt man sie mit einer Tiegelzange heraus
und legt sie auf einen Tisch. Der gleiche Versuch gelingt auch mit Luftballons,
die mit Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche aufgeblasen wurden.
Beobachtungen:
Die Ballons mit Luft schrumpfen unter knisterndem
Geräusch zusammen. Legt man sie auf den Tisch, gehen sie laut knisternd
wieder auf. Beim Ballon mit Kohlenstoffdioxid braucht es wesentlich länger,
bis er wieder ganz aufgeblasen ist. Erstaunlicherweise erhalten die Ballons
ihre volle Elastizität wieder zurück.
Theorie:
Luft enthält zu 21% Sauerstoff und zu
78% Stickstoff. Der Sauerstoff im Ballon kondensiert als erstes beim Abkühlen
auf −182,96 °C, während der Stickstoff bei −195,82 °C flüssig
wird. Man erhält im Ballon flüssige Luft, die beim Erwärmen
wieder verdampft. Bei einer Kohlenstoffdioxid-Füllung kann man deutlich
fühlen, wie festes Trockeneis entsteht.
Kohlenstoffdioxid resublimiert zu festem Trockeneis, ohne vorher flüssig
zu werden. Das Aufgehen der Ballons geht wesentlich langsamer, da die Sublimationstemperatur
des Trockeneises bei −78,48 °C liegt und es deutlich unter seine Sublimationstemperatur
abgekühlt wird. Dies zeigt sich auch am Entstehen einer Eisschicht
außerhalb des Ballons, die durch Kondensation der umgebenden Luftfeuchtigkeit
entsteht.
Variationen: Füllt man einen leeren Ballon mit flüssigem Stickstoff, bläht dieser sich allmählich auf und zerplatzt, sobald sein maximales Volumen überschritten wird. Gasförmiger Stickstoff nimmt das 691fache Volumen wie flüssiger Stickstoff ein.
Ein kleiner Mini-Topf
aus Edelstahl wird fast waagerecht (mit leichter Neigung) an einem Stativ
befestigt und ein Zentimeter hoch mit flüssigem Stickstoff gefüllt. Nach
einer Weile hält man an die unterhalb des Bodens entstehenden Tropfen
eine brennende Zigarette.
Beobachtungen: Der Topf beschlägt sich zunächst außen mit Raureif, während sich am unteren Boden Tropfen einer Flüssigkeit bilden. Hält man die brennende Zigarette in einen solchen Tropfen, glüht sie hell auf.
Theorie:
Der Raureif entsteht durch die Kondensation
von Luftfeuchtigkeit. Gleichzeitig kondensiert aber auch der Sauerstoff-Anteil
der Luft, da Sauerstoff mit −183 °C eine höhere Kondensationstemperatur
als Stickstoff mit −196 °C aufweist. Man erhält auf diese Weise
geringe Mengen flüssiger Sauerstoff, der die Verbrennung der Zigarette
wesentlich beschleunigt.
Eine
Schüssel aus Edelstahl wird mit zwei Liter warmem Wasser gefüllt.
Dann schüttet man aus einem Dewar-Behälter etwas flüssigen
Stickstoff auf das Wasser.
Beobachtungen: Auf der Wasseroberfläche entsteht ein beeindruckender Nebel, der dann über die Schüssel und dann über den ganzen Tisch hinweg wallt. Wenn man Glück hat, entsteht zum Schluss auf dem Wasser ein kleiner runder Kuchen, der sich dreht und sternförmig Nebelschwaden aussendet.
Theorie:
Zwischen der Wasseroberfläche
und dem flüssigen Stickstoff bildet sich eine Dampfschicht, die den
flüssigen Stickstoff aus dem Behälter drückt, dabei werden
feinste Wasser-Tröpfchen mitgerissen, die zu einem Nebel kondensieren.
Überlegen Sie sich selbst, wie der kreisende Kuchen am Ende entstehen
könnte!
Ein
unversilberter Dewar-Behälter wird zur Hälfte mit flüssigem
Stickstoff gefüllt. Dann hält man eine Rose für eine Weile
in den flüssigen Stickstoff. Nach einer Minute nimmt man die Rose
heraus und schlägt sie auf den Tisch. In gleicher Weise verfährt
man mit einem Vollgummiball oder mit einer Banane.
Ein Glastrichter wird an einem Stativ befestigt und mit einem 0,5 Meter langen Gummischlauch verbunden. Dann lässt man langsam flüssigen Stickstoff durch den Trichter und den Schlauch fließen, während man den Schlauch gebogen hält.
Beobachtungen:
Die Rose wird ganz steif und lässt sich
nach dem Kühlen in hunderte von kleinen Stücken zerschlagen.
Der Vollgummiball schwimmt zunächst auf dem flüssigen Stickstoff
und geht dann unter. Nach dem Herausnehmen hat er seine Elastizität
vollständig verloren. Ähnlich verhält es sich mit der Banane,
die in mehrere Teil zerbricht. Der Gummischlauch behält seine gebogene
Form für eine Weile und formt sich erst zurück, wenn er wieder
seine ursprüngliche Temperatur erhält.
Theorie:
Die Demonstrationen sind gute Beispiele dafür,
wie die Stoffe bei Temperaturveränderungen ihre Elastizität verändern.
Hält man eine Glocke aus Blei in den flüssigen Stickstoff, kann
man danach mit ihr läuten. Andere Stoffe verändern bei tiefen
Temperaturen sogar ihre Farbe. Dies lässt sich zeigen, wenn man Schwefel
in einem Reagenzglas in den flüssigen Stickstoff hält. Die Farbe
des Schwefels wird dabei aufgehellt.
Zur Herstellung
von flüssigem Stickstoff wird Luft zunächst auf 200 Bar
verdichtet, dann wird die entstehende Wärme abgeführt. Durch
schnelles Entspannen
des unter Druck gesetzten Gases, erniedrigt sich die Temperatur des
Gases.
Dieser Effekt wird auch als Joule-Thomson-Effekt bezeichnet. Er wurde
von
James Prescott Joule (1818–1889) und von William Thomson (1824–1907)
entdeckt.
Durch mehrmaliges Wiederholen der Kompression und der
Entspannung erhält man beim Linde-Verfahren flüssige Luft. Durch eine nachfolgende fraktionierte
Destillation lassen sich die Komponenten abtrennen: Bei −195,82 °C
verdampft der Stickstoff, bei −182,96 °C
der Sauerstoff. Auf diese Weise kann
man Edelgase wie Argon darstellen.
Flüssiger Stickstoff
dient als Kältemittel für Lebensmittel oder in der Medizin zum
Schockgefrieren von Embryonen, Gewebeteilen bei Operationen, Blut, Antibiotika,
Bakterienkulturen oder Impfstoffen. Im chemischen Labor wird es neben Trockeneis
zum Kühlen eingesetzt.
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