Flüssiger Stickstoff 
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| Stoffe
Flüssiger Stickstoff (Linde AG, Pangas), Kohlenstoffdioxid
(Laborgas), Rose, Banane |
| Geräte
Kälteisolierende Schutzhandschuhe aus Leder, gut schließende
Schutzbrille, großes Dewargefäß 10 Liter (leihweise),
kleines Dewargefäß unversilbert mit Splitterschutzauflage (KGW),
Tiegelzange, Luftballons, Zigarette, Soßentopf, Becher, Schüssel
(alle aus Metall), Vollgummiball, Glastrichter, Stativ, Gummischlauch,
evt. Glocke aus Blei, Schwefel in Reagenzglas |
Sicherheit 
Beim Arbeiten mit flüssigem Stickstoff sind trockene Handschuhe aus
Leder und eine gut schließende Schutzbrille zu tragen. Die Räume
müssen immer gut belüftet werden. Weitere Hinweise finden Sie
beim Umgang mit flüssigem Stickstoff! |
Inhalt:
Bezugsquellen
Umgang
mit flüssigem Stickstoff
Demonstration 1
Schrumpfen von Ballons
Demonstration 2
Aufglühen einer Zigarette in flüssiger Luft
Demonstration 3
Leidenfrost-Phänomen
Demonstration 4
Veränderung der Elastizität von Stoffen
Ergänzende
Informationen
Literatur
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(nur auf CD-ROM)
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Stickstoff- und Sauerstoffreserve
bei Linde
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Bezugsquellen
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.
Aufgrund des Gefahrenpotentials lässt man sich den flüssigen
Stickstoff am besten an die Schule liefern (ca. 10-25 Liter). Die Firmen
liefern den Stickstoff in einem großen Dewargefäß und
verleihen ein oben offenes und eimerförmiges Gefäß mit
größerem Inhalt zum Schrumpfen von Luftballons. Für die
anderen Demonstrationen wird ein kleineres, transparentes Dewar-Gefäß
benötigt. Die Firma KGW
liefert auf Sonderanfertigung ein unversilbertes Dewargefäß
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.
Umgang
mit flüssigem Stickstoff
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 Schutzmaßnahmen sind
einzuhalten:
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Die Hände werden mit
kälteisolierenden Handschuhen (z.B. aus trockenem Leder) und die Augen
mit einer Schutzbrille geschützt.
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In die Flüssigkeit darf
nicht hineingefasst werden.
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Aus einem Liter flüssigem
Stickstoff entstehen durch Verdampfen 691 Liter gasförmiger Stickstoff.
Dieser wirkt erstickend. Daher sind die Räume, in denen flüssiger
Stickstoff gelagert wird, gut zu lüften. Dies gilt auch für Fahrzeuge.
Beim Transport muss gewährleistet sein, dass die Flaschen nicht dicht
verschlossen sind und nicht umfallen können.
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Es dürfen nur Gläser
mit flüssigem Stickstoff befüllt werden, die kälteunempfindlich
sind, z.B. Dewar-Gefäße.
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Besorgen Sie sich auf jeden
Fall die Merkblätter zum Umgang mit flüssigen Gasen, sowie die
Sicherheitshinweise bei Sauerstoffmangel, Erfrierungen und zum Transport
in Kraftfahrzeugen. Diese sind bei der Linde
AG erhältlich.
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Flüssiger Stickstoff
sollte nicht längere Zeit aufbewahrt werden, da allmählich Sauerstoff
aus der Luft einkondensiert. Dadurch bildet sich flüssige Luft, die
explosionsgefährlich ist.
Demonstration
1 Schrumpfen von Ballons
Ein offenes 10-Liter-Dewargefäß
wird mit 3 Liter flüssigem Stickstoff gefüllt (Achtung vor Spritzern!).
Dann bläst man mehrere Luftballons auf und wirft sie in das Gefäß.
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.
Filme
erhältlich auf >DVD
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.
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(nur auf CD-ROM)
Diashow: Aufgehen
des mit Luft gefüllten Ballons
Theorie:
Luft enthält zu 21% Sauerstoff und zu
78% Stickstoff. Der Sauerstoff im Ballon kondensiert als erstes beim Abkühlen
auf -182,962°C, während der Stickstoff bei -195,82°C flüssig
wird. Man erhält im Ballon flüssige Luft, die beim Erwärmen
wieder verdampft. Bei einer Kohlenstoffdioxidfüllung 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
von Trockeneis 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.
Demonstration
2 Aufglühen einer Zigarette in flüssiger Luft
Ein kleiner Soßentopf
aus Metall wird fast waagerecht (mit leichter Neigung) an einem Stativ
befestigt und 1cm hoch mit flüssigem Stickstoff gefüllt. Nach
einer Weile hält man an die unterhalb des Bodens entstehenden Tropfen
eine brennende Zigarette.
Beobachtungen:
Der Topf beschlägt zunächst außen
mit Rauhreif, während sich am unteren Boden Tropfen einer Flüssigkeit
bilden. Hält man die brennende Zigarette in einen solchen Tropfen,
glüht sie hell auf.
Film
erhältlich auf >DVD
Theorie:
Der Rauhreif entsteht durch die Kondensation
von Luftfeuchtigkeit. Gleichzeitig kondensiert aber auch der Sauerstoffanteil
der Luft, da Sauerstoff (ca. -183°C) eine höhere Kondensationstemperatur
als Stickstoff (ca. -196°C) aufweist. Man erhält auf diese Weise
geringe Mengen an flüssigem Sauerstoff, der die Verbrennung der Zigarette
wesentlich beschleunigt.
Demonstration
3 Leidenfrost-Phänomen
Eine
Schüssel aus Metall wird mit zwei Liter heißem Wasser gefüllt.
Dann gießt man aus einem Dewargefäß etwas flüssigen
Stickstoff auf das Wasser.
Beobachtungen:
Auf der Wasseroberfläche
entsteht ein beeindruckender Nebel, der dann über das Gefäß
und schließlich über den ganzen Tisch hinweg wallt. Wenn man
Glück hat, entsteht auf dem Wasser ein kleiner runder Kuchen, der
sich dreht und sternförmig Nebelschwaden ausstößt.
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Nebelschwaden wallen
aus dem Gefäß
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Am Ende entsteht ein
kreisender Kuchen
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Film
erhältlich auf >DVD
Theorie:
Zwischen der Wasseroberfläche
und dem flüssigen Stickstoff bildet sich eine Dampfschicht, die den
flüssigen Stickstoff aus dem Gefäß drückt, dabei werden
feinste Wassertröpfchen mitgerissen, die zu einem Nebel kondensieren.
Überlegen Sie sich selbst, wie der kreisende Kuchen am Ende entstehen
könnte!
Demonstration
4 Veränderung der Elastizität von Stoffen
Ein
unversilbertes Dewargefäß 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.
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Rose
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Vollgummiball
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Banane
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Filme
erhältlich auf >DVD
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.
Ergänzende
Informationen: Zur Herstellung
von flüssigem Stickstoff wird Luft zunächst auf 200 bar verdichtet
und 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 des Vorgangs -von Kompression und Entspannung
erhält man beim Lindeverfahren
schließlich flüssige Luft. Durch eine nachfolgende fraktionierte
Destillation lassen sich die Komponenten abtrennen: Bei -195,82°C
verdampft der Stickstoff, bei -182,962°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.
Literatur
