Pár pokusů s kapalným dusíkem
Abstrakt
K sérii pokusů s kapalným dusíkem popsaných v minulých letech připojujeme dva další. Demonstrují fázové přeměny, vznik pevného dusíku a kondenzaci kapalného kyslíku pomocí kapalného dusíku.
Jak vyrobit dusíkový led
Snižujeme-li tlak páry nad hladinou vroucí kapaliny tím, že páru odčerpáváme vhodnou vývěvou, klesá teplota kapaliny. Odebíráme totiž intenzivně molekuly, které mají nejvyšší energii, jež jim dovolila kapalinu opustit. Zbývající molekuly v kapalině mají stále menší vnitřní energii a tím i klesající teplotu. Kapalný dusík za normálního atmosférického tlaku (pa = 101,325 kPa) vře při teplotě Tv = 77,35 K. Klesne-li jeho teplota na Tt = 63,15 K, což odpovídá tlaku pt = 12,5 kPa (trojný bod), dojde k fázové přeměně a dusík se stane pevným. Měrná tepelná kapacita kapalného dusíku je rovna cp ≈ 2 kJ×kg-1×K-1, výparné latentní teplo činí v těchto teplotách L ≈ 200 kJ×kg-1 [1, 2]. K ochlazení tedy spotřebujeme zhruba 14 % kapaliny. Ve skutečnosti je úbytek kapaliny větší, neboť je třeba přidat ještě přirozený odpar kapalného dusíku, který není tepelně izolován.
Pevný dusík má charakter sněhu, do kompaktního ledu přechází až při nižších teplotách. Při tlaku syté páry se pevný dusík vyskytuje ve dvou krystalových modifikacích. Fáze α má hexagonální strukturu a orientace molekul N2 v ní není fixovaná. Při teplotě 36,61 K přechází do fáze β, která má strukturu kubickou plošně centrovanou, přičemž molekuly N2 jsou orientovány do směru tělesových úhlopříček.
K přípravě pevného dusíku je třeba mít k dispozici vývěvu. Používáme rotační olejovou vývěvu s čerpací rychlostí 1,5 m3/hod s napouštěcím ventilem na vstupu, aby bylo možno začít čerpat malou rychlostí (postačila by však i vodní vývěva). Jako vakuovou komoru lze využít skleněnou nádobku se šroubovacím uzávěrem, např. od jogurtu, viz obr. 1. Do provrtaného víčka se epoxidovou pryskyřicí zalepí trubička, na níž se navlékne gumová hadice a spojí s vývěvou. Do nádobky je vložena plastová krabička od filmu, do níž se nálevkou opatrně nalije kapalný dusík. Počkáme, až se odpar dusíku uklidní, zavřeme víčko a začneme čerpat při otevřeném napouštěcím ventilku. Postupně snižujeme tlak v nádobce, až dosáhneme trojného bodu a zbylý kapalný dusík se přemění na pevný v podobě sněhové zátky, která vyskočí z krabičky. Pevný dusík má asi poloviční měrnou tepelnou kapacitu v porovnání s kapalinou a tak se ve špatně tepelně izolované nádobce postupně rozpouští.
Obr. 1. Nádobka na přípravu pevného dusíku.
Jak získat kapalný kyslík
Kapalný kyslík se vyrábí podobně jako kapalný dusík ze vzduchu pomocí zkapalňovačů, tepelných strojů pracujících zpravidla v obráceném Kirkově (Philipsově) cyklu [1]. Ve větším množství se kapalný kyslík využívá v hutním či chemickém průmyslu a také v raketové technice. Kyslík je velmi aktivní okysličovadlo a zacházení s ním se musí řídit přísnými bezpečnostními pravidly. V prostředí vysoké koncentrace kyslíku snadno hoří běžně užívaná maziva, většina plastů i některé kovy, např. hliník, hořčík nebo titan a jejich slitiny. K zapálení, případně i výbuchu, postačí dodání jen malého množství energie, například nárazem nebo třením. Proto se v laboratoři vyhýbáme použití kyslíku, pokud to není nezbytné. Kapky kapalného kyslíku dopadající na pokožku jsou provázeny palčivou bolestí způsobenou prudkou oxidací.
Ukážeme si, jak lze bezpečně připravit malé množství kapalného kyslíku a demonstrovat jeho fyzikální vlastnosti. Vyhneme se zejména použití běžných tlakových lahví, s nimiž smí zacházet jen osoby, které absolvovaly speciální školení.
Kyslík ve své základní podobě vytváří dvouatomové molekuly. Z plynné do kapalné fáze přechází za normálního tlaku při teplotě Tv = 90,188 K, trojného bodu dosahuje při teplotě Tt = 54,39 K a tlaku pt ≈ 150 Pa. Není proto překvapující, že v otevřené nádobě s kapalným dusíkem časem ze vzduchu zkondenzuje nezanedbatelné množství kyslíku. Projeví se to zejména modrým zabarvením kapaliny. Taková směs kapalného dusíku a kyslíku může ovšem být nebezpečná, protože představuje výrazné okysličovadlo. Nádoby z pěnového polystyrénu, které jsou velmi vhodné pro krátkodobé používání kapalného dusíku, by neměly zůstávat delší dobu bez zakrytí volně položeným víčkem. Dobře hořlavý polystyrén spolu s kapalným kyslíkem by se mohl stát zárodkem velmi nebezpečného požáru.
Malé množství kapalného kyslíku můžeme získat přímo ze vzduchu pomocí jednoduchého přípravku, viz obr. 2.
Obr. 2. Přípravek na zkapalnění kyslíku ze vzduchu.
Do kužele stočeného z měděného plechu tloušťky např. 0,3 mm a spájeného běžnou pájkou Pb-Sn naléváme kapalný dusík. Na povrchu kužele kondenzuje kapalný kyslík a odkapává do zkumavky. Četnost vzniku kapiček s časem klesá, poněvadž povrch kužele se obaluje ledem vzniklým z vodních par obsažených ve vzduchu. K získání jistého množství kapalného kyslíku je třeba odpařit více než dvojnásobné množství kapalného dusíku. Kondenzační teplo kyslíku je L = 213 kJ×kg-1, měrná tepelná kapacita plynného kyslíku je cp = 0,91 kJ×kg-1×K-1 a plyn musí být ochlazen z pokojové teploty na 90 K. Kyslík se ve zkumavce rychle odpařuje, jeho přítomnost lze však prokázat pomocí zapálené špejle, kterou před zasunutím do zkumavky sfoukneme. Špejle ve zkumavce znovu vzplane. Kapky můžeme zachycovat do malého smotku vaty namotané na špejli. Kyslíkem nasycená vata nad plamenem svíčky prudce zahoří.
Přiblížíme-li k odkapávajícím kapkám z boku permanentní magnet, nejlépe ze slitiny NdFeB, jsou kapky kyslíku strhávány k magnetu, který se obalí vrstvou kapaliny. Prokážeme tak silný paramagnetismus kapalného kyslíku. Relativní susceptibilita kapalného kyslíku má neobvykle velkou hodnotu χ = + 3×10-4. Poprvé byla měřena v roce 1898 Jamesem Dewarem spolu s J. A. Flemingem. Moderními výpočetními metodami molekulární dynamiky bylo možné prokázat, že magnetický moment molekuly O2 je způsoben dvěma nespárovanými elektrony v molekulárních orbitech.
Větší množství kapalného kyslíku můžeme získat pomocí čistého lékařského kyslíku, který se prodává pro záchranářské účely v malých kovových nádobách obsahujících 8 litrů plynu pod tlakem asi 1 MPa (nepatří tedy mezi tlakové nádoby a lze s nimi volně zacházet). Plynným kyslíkem nafoukneme gumový balónek nebo duši z kopacího míče (dnes je již vzácností), jak je vidět na obr. 3.
Obr. 3. Balónek s připojenou zkumavkou.
Nafouknutý balónek má objem asi 1,3 l. Připojíme k němu zkumavku, kterou ponoříme do lázně kapalného dusíku. Do zkumavky během několika minut zkondenzuje asi 1,5 ml kapalného kyslíku (poměr objemu odpařeného kyslíku za pokojové teploty k objemu kapaliny je zhruba Vg/Vl = 845). Zkumavka má v našem pokusu vnitřní průměr 6 mm a tak spatříme sloupec asi 5,5 cm krásně namodralé kapaliny, s níž můžeme rovněž demonstrovat magnetické a oxidační vlastnosti kapalného kyslíku.
Namodralá barva kapalného kyslíku souvisí s vytvořením molekulárních orbitů molekuly O2. V absorpčním spektru O2 se ve viditelné části spektra pozorují široké absorpční čáry, které z procházejícího bílého světla ponechají právě jen světle modrou barvu. Vlnové délky přechodů mezi základními energetickými stavy molekuly O2 odpovídají však jen slabým čárám v infračervené oblasti spektra [3]. K vysvětlení vzniku pozorovaných výrazných absorpčních čar je nutné předpokládat, že jeden foton způsobí simultánní přechody dvou elektronů do excitovaných stavů ve dvou různých molekulách. Další čáry pocházejí ještě od příměsí vibračních přechodů molekul. Dvojice molekul, které se účastní tohoto procesu, nemusejí být spolu vázány. Postačí, že mezi nimi dochází ke srážkám.
Naplníme-li balónek místo kyslíkem pouhým suchým vzduchem, získáme uvedeným postupem rovněž kapalný kyslík, ovšem jen asi v pětinovém množství. Několik mililitrů kapalného kyslíku můžeme během zhruba dvaceti minut získat také ve skleněné nádobce ponořené do kapalného dusíku, jíž necháme pod malým tlakem procházet slabý proud suchého vzduchu.
Dosavadní soubor pokusů s kapalným dusíkem [4] jsme tak doplnili o demonstraci některých termodynamických fázových přechodů kryogenních kapalin.
Literatura
[1] Jelínek J., Málek Z.: Kryogenní technika, SNTL Praha 1982
[2] Pobel F.: Matter and Methods at Low Temperatures, Springer Berlin 1992
[3] Ogryzlo E. A.: Why liquid oxygen is blue. J. Chem. Education 42(1965) 647
[4] Rotter M.: In: Sborník konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 5, 7, 10 a 12, Ed.: Svoboda E., Dvořák L., Prometheus Praha