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Demonstrationen mit flüssigem Stickstoff
Vorführungen für Lehrkräfte geeignet,
teilweise unter Mitarbeit der Schülerinnen und Schüler
 
Rose in flüssigem Stickstoff  Vollgummiball in flüssigem Stickstoff
 
Stoffe  Flüssiger Stickstoff (Linde AG, Pangas), Kohlenstoffdioxid (Laborgas), Rose, Banane
Geräte  Kälteisolierende Schutzhandschuhe aus Leder, gut schließende Schutzbrille, großes Dewar-Gefäß 10 Liter (leihweise), kleines Dewar-Gefäß unversilbert mit Splitterschutzauflage (KGW), Tiegelzange, neue Luftballons, Zigarette, Soßentopf, Becher, Schüssel (alle aus Edelstahl), echter Vollgummiball (nicht innen hohl), Glastrichter, Stativ, Gummischlauch, eventuell Glocke aus Blei, Schwefel in Reagenzglas
Sicherheit  Beim Arbeiten mit flüssigem Stickstoff sind trockene Handschuhe aus dickem Leder und eine gut schließende Schutzbrille zu tragen. Die Räume müssen immer gut belüftet werden. Weitere Hinweise sind beim Umgang mit flüssigem Stickstoff zu finden.

Schutzbrille anziehen! Schutzhandschuhe anziehen! Lueftungsmassnahmen erforderlich
Gefährdungsbeurteilung  Experimente mit flüssigem Stickstoff   docx    pdf
 
 
 
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Stickstoff- und Sauerstoffreserve bei Linde
   
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. Behälter mit 10 oder 25 Liter sind geeignet. Die Firmen liefern den Stickstoff in einem großen Dewar-Behälter. Sie stellen manchmal auch einen oben offenen und eimerförmigen Behälter zum Schrumpfen von Luftballons zur Verfügung. Für die anderen Demonstrationen wird ein kleineres, transparentes Dewar-Gefäß benötigt. Die Firma KGW liefert auf Sonderanfertigung ein unversilbertes Dewar-Gefäß 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.
 
 
Sicherheitsempfehlungen für den 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 Sicherheitsvorkehrungen sind einzuhalten:
  • Die Sicherheitsvorkehrungen sind für alle Lehrkräfte und Zuschauer obligatorisch. In die Flüssigkeit darf nicht hineingefasst werden.
  • Die Hände werden mit kälteisolierenden Handschuhen aus trockenem Leder und die Augen mit einer Schutzbrille (aus kälteisolierendem Kunststoff mit Seitenschutz) geschützt.
  • Geschlossene Kleidung und festes Schuhwerk tragen!
  • Bei Spritzgefahr immer Schutzscheibe und Gesichtsschild verwenden.
  • Aus einem Liter flüssigem Stickstoff entstehen durch Verdampfen 691 Liter gasförmiger Stickstoff. Dieser wirkt erstickend. Daher ist in Räumen, in denen flüssiger Stickstoff gelagert wird, eine gute Belüftung notwendig. Beim Transport muss gewährleistet sein, dass die Flaschen nicht dicht verschlossen sind und nicht umfallen können.
  • Es dürfen nur Gläser mit flüssigem Stickstoff befüllt werden, die kälteunempfindlich sind, beispielsweise Dewar-Gefäße. Werden kleine Mengen in Edelstahl-Gefäße gefüllt, muss gewährleistet sein, dass diese niemand mit den ungeschützten Händen anfasst. Bei solchen Versuchen lässt man den Stickstoff immer sofort verdampfen.
  • Flüssiger Stickstoff darf nicht offen und unbeaufsichtigt stehen gelassen werden.
  • Die Merkblätter der Lieferanten sind zu lesen, beispielsweise zum Umgang mit flüssigen Gasen, sowie die Sicherheitshinweise bei Sauerstoff-Mangel, Erfrierungen und zum Transport in Kraftfahrzeugen. Die gesetzlichen Bestimmungen beim Transport von Gefahrgut sind zu beachten. Es wird empfohlen, flüssigen Stickstoff vom Lieferanten an die Schule liefern zu lassen.
  • Flüssiger Stickstoff darf nicht längere Zeit aufbewahrt werden, da allmählich Sauerstoff aus der Luft hinein kondensiert. Dadurch bildet sich flüssige Luft, die explosionsgefährlich ist.
  • Tisch- und Arbeitsplatten müssen überprüft werden, ob sie Kälte aushalten können.
 
Demonstration 1   Ballons schrumpfen
 
Ein offenes Dewar-Gefäß 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.
 
 
  
 
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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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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 −182,96 °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.
 
 
Demonstration 2   Aufglühen einer Zigarette in flüssiger Luft

Ein kleiner Soßentopf 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.
   
 
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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.
 
 
Demonstration 3  Leidenfrost-Phänomen
 
Eine Schüssel aus Edelstahl wird mit zwei Liter heißem Wasser gefüllt. Dann gießt man aus einem Dewar-Gefäß 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
Am Ende entsteht ein kreisender Kuchen
 
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Theorie: Zwischen der Wasseroberfläche und dem flüssigen Stickstoff bildet sich eine Dampfschicht, die den flüssigen Stickstoff aus dem Gefäß drückt, dabei werden feinste Wasser-Tröpfchen mitgerissen, die zu einem Nebel kondensieren. Überlegen Sie sich selbst, wie der kreisende Kuchen am Ende entstehen könnte!


Demonstration 4   Veränderung der Elastizität bei Stoffen
 
Ein unversilbertes Dewar-Gefäß 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.
 
 
Rose in flüssigem Stickstoff
Vollgummiball in flüssigem Stickstoff
In flüssigem Stickstoff gekühlte Banane
Rose
Vollgummiball
Banane
 
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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.
 
 
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Rose in flüssigem Stickstoff
   
 
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, 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.
 
 
Literatur
  • Kreißl, F.R.; Krätz, O.: Feuer und Flamme, Schall und Rauch, Wiley-VCH-Verlag 1999
  • H.W. Roesky, K. Möckel: Chemische Kabinettstücke, VCH-Verlag 1994
  • Römpp-Chemielexikon, CD-Ausgabe 1995
  • Linde-AG (Hrsg.): Sicherheitshinweise beim Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen, Höllriegelskreuth
  • Seilnacht/Rehm: Chemische Experimente erleben - Buch mit 4 DVD's, Seilnacht Verlag & Atelier 2017


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