Tekutý dusík predstavený v predchádzajúcom čísle Quarku má široké využitie. V biológii sa používa na uchovávanie biologických vzoriek, v medicíne na odstránenie kožných lézií a bradavíc pomocou kryochirurgie, vo fyzike pri experimentoch so supravodivými materiálmi, v priemysle na rýchle zmrazenie potravín a v gastronómii na získanie jedinečných textúr a chuťových zážitkov.
Výroba tekutého dusíka zahŕňa dva hlavné kroky. Prvým je stláčanie, keď sa vzduch stláča a ochladzuje, aby sa odstránili vlhkosť a oxid uhličitý. Druhým je destilácia, keď sa vzduch ďalej ochladzuje až do bodu, v ktorom sa dusík začne skvapalňovať. Následne sa oddelí od ostatných zložiek vzduchu.
Videonávod týchto experimentov, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.
Dusík vo vzduchu
Pomôcky: vodný balón, vzduchová pumpa, tekutý dusík, polystyrénová nádoba
Postup: Balón nafúkneme pomocou pumpy, aby sme ho mali naplnený vzduchom a nie plynmi z výdychu ľudského tela. Používame vodný balón, keďže je menší a jednoduchšie vojde do nádoby. Jeho steny sú tiež priehľadnejšie a je možné ľahšie pozorovať žiadaný jav. Polystyrénovú nádobu naplníme tekutým dusíkom. Balón nafúkneme do takej veľkosti, aby sa zmestil do nádoby. Ponoríme ho do tekutého dusíka a potom ho vytiahneme na vzduch.
Pozorovanie: Balón sa v tekutom dusíku začne zmenšovať a jeho povrch sa pokryje ľadom. Po vytiahnutí z dusíka sa začne nafukovať a vráti sa do pôvodnej veľkosti. Na spodku vnútri balóna môžeme pozorovať kvapku tekutiny. Postup možno opakovať viacnásobne.
Vysvetlenie: Vzduch obsahuje približne 78 % dusíka v plynnom stave. Schladením na teplotu blízku −196 °C zmení dusík v balóne stav na kvapalný. Zmenší svoj objem až osemstonásobne. Po zohriatí na izbovú teplotu opätovne zaujme plynný stav s väčším objemom. Materiál balóna je dostatočne pružný, aby tieto teplotné rozdiely zniesol.
Dusík na panvici
Pomôcky: chladuvzdorná podložka, panvica izbovej teploty, tekutý dusík, varič (ideálne plynový), zápalky, panvica rozohriata na vysokú teplotu, voda
Postup: Panvicu položíme na chladuvzdornú podložku a nalejeme na ňu tekutý dusík. Môžeme ňou zakrúžiť, aby sme tekutinu rozhýbali. Porovnávací pokus je s panvicou zohriatou na viac ako 100 °C a obyčajnou vodou. Panvicu je vhodné nahrievať nad plynovým varičom, ktorý zahreje aj jej okraje.
Pozorovanie: Môžeme pozorovať niekoľko efektov. Tekutý dusík sa na panvici izbovej teploty správa rovnako ako vriaca voda na rozpálenej panvici. Dusík sa pri dotyku s panvicou začne okamžite vyparovať. Voda potrebuje aspoň chvíľu, aby sa zohriala na bod varu, a potom sa tiež začne vyparovať. Pri krúžení panvicou môžeme pozorovať vytvorenie kvapky, ktorá sa vznáša tesne nad jej povrchom. Pri troche skúseností a správnej rezonancii môžeme na panvici docieliť aj vznik obruče z danej tekutiny vznášajúcej sa nad povrchom.
Vysvetlenie: Panvica izbovej teploty a tekutý dusík majú rozdiel teplôt viac ako 200 °C. Izbová teplota je pre tekutý dusík vyššia ako jeho teplota vyparovania, dusík sa teda vyparuje vďaka dotyku s panvicou, ale aj dotyku so vzduchom. Vyparovanie je tak rýchlejšie a prudšie. Voda má štandardne izbovú teplotu, ako aj okolitý vzduch. Pri dotyku s panvicou sa najskôr musí ohriať na teplotu varu a až potom sa začne vyparovať. Ohrieva sa však iba od panvice a vzduch ju ochladzuje, preto jej vyparovanie nie je až také prudké. No aj napriek týmto rozdielom je proces vyparovania dusíka na panvici izbovej teploty a vody na rozohriatej panvici veľmi podobný.
PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Foto a video Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzity Komenského v Bratislave
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu sona.gazakova@fmph.uniba.sk.
