Pokusy s plyny

Milan Rojko

Cílem všech zde uvedených experimentů je především naučit žáky „vidět“ neviditelné a ukázat jak lze i jednoduchými prostředky zkoumat vlastnosti „neviditelných plynných těles“.

Potřeby: Sifonová láhev s 20 cm dlouhou hadičkou na výpusti, bombičky s oxidem uhličitým, náhradní propanová náplň do zapalovačů s vypouštěcím kroužkem, 2 džbány na pivo, 2 sklenice od zavařenin, 3 dortové svíčky, špejle, zápalky, papírové „pokličky“ na džbány, špendlík, blána z pouťového balónku, nit, malá matička, kancelářské sponky, bublifuk, drátek asi 20 cm dlouhý, láhev od okurek nebo ještě větší skleněná nádoba, tři plastové dvoulitrové láhve od limonády z toho jedna s ventilkem do bezdušové pneumatiky navlečeným do otvoru v zátce, žákovské laboratorní váhy, sada závaží, měkká plastová hadička o průměru umožňujícím navlečení konce na ventilek, plechovka od piva nebo limonády, kožená rukavice, kahan, umyvadlo, kbelík, pryžová hadička délky cca 1,5 m, láhev o objemu 10 l s vypouštěcím otvorem u dna, pouťový balónek o větším průměru, automobilová hustilka nebo kompresorek.

Přelévání plynů

Příprava a provedení: Na vypouštěcí kohoutek sifonové láhve navlékneme konec asi 20 cm dlouhé hadičky. Láhev (bez vody) naplníme z bombičky oxidem uhličitým. Vypouštěcí kroužek k propanovému zásobníku zhotovíme např. z hliníkového plíšku, do kterého vyvrtáme otvor takové velikosti, aby jím prošel je užší konec plnicí trubičky.

Džbány naplníme pokud možno pomalu oxidem a propanem a zakryjeme je pokličkami. To můžeme udělat těsně před hodinou, bez přítomnosti žáků. Při hodině si připravíme zapálenou svíčku a špejli a potom ze džbánů opatrně plyny nalijeme do sklenic. Hořící špejlí prokážeme, že v jedné sklenici je hořlavý, ve druhé hasivý plyn. Oba plyny lze přelít i vícekrát.

Zvyšování hladiny oxidu při napouštění ukážeme pomocí trojice svíček v různé výšce (viz obrázek), které při napouštění oxidu postupně odzdola uhasínají.

Vysvětlení: Hustota oxidu uhličitého i propanu je zhruba 1,5 krát větší než hustota vzduchu, a proto zůstane u dna nádob. Po určité době se plyny z odkrytých nádob difuzí i prouděním smísí se vzduchem, což lze rovněž žákům ukázat.

Archimedův zákon pro plyn

Příprava a provedení: Vahadlo ze špejle se špendlíkovou osičkou a lůžkem vytvarovaným z kancelářské sponky zhotovíme podle obrázků.

Lůžko upevníme např. do svíčky nebo na jiný stojánek a na jeden konec špejle zavěsíme na nit přiměřeně velkou bublinu z části blány pouťového balónku. Na druhém konci páku vyvážíme hrubě třeba matičkou a jemně doladíme do rovnováhy kancelářskou sponkou.

Napustíme-li nebo nalijeme do sklenice oxid uhličitý nebo propan, Archimedova síla bublinu vytlačí vzhůru.

Můžeme také do větší nádoby napustit oxid (ze 2 bombiček) a vefouknout dovnitř mýdlové bubliny bublifukem. Větší bubliny budou na (neostrém) rozhraní vzduchu a oxidu plavat.

Bludička

Příprava a provedení: Malý kousek dortové svíčky připevníme na drátěný držák, jak ukazuje obrázek. Jestliže hořící svíčku opatrně noříme do nádoby s oxidem uhličitým, podaří se nám na okamžik odtrhnout plamínek od knotu. Jestliže včas svíčku vynoříme, plamínek se opět přichytí u knotu (třeba natrénovat).

Vysvětlení: Pokus ukazuje, že při hoření svíčky nehoří knot, ale jen plyny parafínů. Knotem jen kapilární vzlínavostí proudí kapalná hořlavina do oblasti plamene, tam se vypaří a v plynném stavu se slučuje s kyslíkem. Vypařování plynné hořlaviny z knotu chviličku pokračuje i po potopení svíčky do oxidu uhlíku.

Měření hustoty vzduchu

Příprava a provedení: Do zátky od limonádové láhve vyvrtáme otvor o průměru 16 mm a do něj přiměřeným násilím navlékneme ventilek do bezdušové pneumatiky osobního auta. Do láhve nahustíme automobilovou hustilkou vzduch (stačí přetlak 200–300 kPa) a láhev vyvážíme na laboratorních váhách (stačí i listovní váhy).

Poté navlékneme na ústí ventilku poddajnou plastovou hadičku, jejím promáčknutím stlačíme vypouštěcí piftlík ventilku a 2–5 litrů vzduchu vypustíme. Měření objemu vypuštěného vzduch provádíme běžným způsobem. Vzduchem unikajícím volným koncem hadičky necháme vytlačovat vodu z nádoby známého objemu, která je otočená dnem vzhůru a má ústí potopené pod hladinu vody, např. ve kbelíku.

Na váhách zjistíme na závěr úbytek hmotnosti láhve se vzduchem a jednoduše vypočítáme přibližnou hustotu vzduchu za podmínek ve třídě.

K změření hmotnosti lze použít místo vah jen vahadlo na ose a původní rovnováhu obnovit přidáním přívažku, který svou hmotností odpovídá hmotnosti vypuštěného vzduchu.

Překvapením pro žáky může být výpočet, který ukáže, jaká je hmotnost vzduchu v jejich třídě.

Vysvětlení: Protože je změna objemu plastové láhve při nafouknutí řádově jen několik procent, lze vzhledem k charakteru pokusu zanedbávat změny vztlakové síly. Rozdíl mezi tlakem vzduchu ve třídě a tlakem vzduchu v láhvi je ještě méně významný. Ústí jímače nebývá pod hladinou hlouběji než několik centimetrů a každý centimetr hloubky odpovídá přibližně přírůstku tlaku o 1 promile.

Tlak vzduchu I

Příprava a provedení: Do plechovky od piva nebo limonády nalijeme vodu asi do výšky 5 mm ode dna, otvírací plíšek zaklopíme a vodu nad kahanem uvedeme do bouřlivého varu. Poté plechovku rychle nad umyvadlem se studenou vodou obrátíme dnem vzhůru a posadíme do studené vody. Venkovní tlak vzduchu plechovku zbortí.

Vysvětlení: Vodní páry z vroucí vody částečně vytěsní vzduch z plechovky. Po ochlazení vodní pára zkapalní a protože k tlaku vnějšího vzduchu neexistuje protitlak vzduchu zevnitř, tlaková síla plechovku zdeformuje.

Tlak vzduchu II

Příprava a provedení: Do plastové láhve od limonády uděláme ve stěně, asi 15 mm ode dna, otvor o průměru 8 mm a do něj vzduchotěsně mezi dva těsnicí kroužky upevníme pouzdro na bicyklový ventilek (bez vnitřního ventilku). Na pouzdro navlékneme konec pryžové hadičky dlouhé 1,2 až 1,5 m a zajistíme sponou.

Láhev zcela naplníme vodou a uzavřeme závěrem a poté hadičku spustíme druhým koncem do nádoby s vodou, umístěné co nejníže. S vytékáním vody se začne láhev bortit. Nakonec můžeme polohy láhve a nádoby zaměnit a přitékající voda láhev opět zaoblí.

Vysvětlení: Tlak v láhvi se vytékáním vody zmenšuje a vnější tlak vzduchu láhev bortí. Úbytek vnitřního tlaku je dán polohou vypouštěcího ústí trubice, proto je efekt tím průkaznější čím větší je rozdíl mezi polohou láhve a spodním koncem trubice.

Tlak vzduchu III

Příprava a provedení: Pokus je analogický k předcházejícímu s tím rozdílem, že láhev je velkoobjemová, skleněná a místo zátky je na hrdlo láhve navlečen pouťový balónek, který zpočátku splihle visí dovnitř kousek nad hladinu (láhev není zcela plná vody). Při vypouštění vody se balónek v láhvi nafukuje vnějším přetlakem vzduchu přestože (spíše protože) není zavázán. To můžeme podtrhnout tím že do něho např. strčíme prst.

Vysvětlení je obdobné jako u předcházejícího pokusu.

Tlak vzduchu IV

Příprava a provedení: Do láhve, ke které máme uzávěr s automobilovým ventilkem, zasuneme navlhčenou trubičku dosahující téměř ke dnu a vložíme pouťový balónek, jehož ústí zůstane venku. Balónek co nejvíce nafoukneme a uzavřeme režnou nití. Trubička přitom slouží jako výfuk pro vzduch unikající z prostoru láhve pod balónkem. Potom palcem přidržíme zavázaný konec balónku v hrdle a opatrně, ale s přiměřeným násilím, vytáhneme hadičku z láhve. Nakonec láhev uzavřeme uzávěrem s ventilkem a nahustíme automobilovou hustilkou. Balónek se při huštění zdánlivě „vyfukuje“.

Pokus můžeme prezentovat i v opačném pořadí. Do třídy přineseme nahuštěnou láhev se „skoroprázdným“ balónkem a předvedeme, jak ho umíme (přestože je zavázaný a schovaný v láhvi) nafouknout. Nafouknutí jednoduše docílíme zmáčknutím ventilku a vypuštěním vzduchu zevnitř láhve.