Flüssiger Stickstoff

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Sommersemester Juli 2011 Betreuung: Dr. M. Andratschke Referenten: Marco Skiba, Benjamin Melzer Flüssiger Stickstoff 1. Das Element Stickstoff (N) Mit 78,09 Vol.-% ist Stickstoff (als Molekül N 2 ) der wesentliche Bestandteil der Luft, die mehr als 99 % des gesamten Stickstoffs auf der Erde enthält. Im gebundenen Zustand findet man ihn hauptsächlich in Form von Nitraten, z. B. als Kaliumnitrat KNO 3 (Salpeter) und Natriumnitrat NaNO 3 (Chilesalpeter). Aber auch als Teil der Biosphäre spielt er vor allem in Proteinen eine wichtige Rolle. Stickstoff (als N 2 ) ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas mit einem Schmelzpunkt von 209,99 C (63,16 K) und einem Siedepunkt bei 195,82 C (77,33 K). Stickstoff (N 2 ) ist durch die im Molekül vorhandene stabile Dreifachbindung (s. Abb. 1) und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 945,33 kj/mol sehr reaktionsträge/inert. Deswegen Abb. 1: Strukturformel (N 2 ) [2] braucht es in der Regel einen hohen Energieaufwand, um diese Bindung zu trennen und Stickstoff an andere Elemente zu binden. [1a, 2a] 2. Herstellung Die bis heute gängige technische Methode zur Verflüssigung atmosphärischer Gase ist das Linde-Verfahren, welches 1895 von Carl von Linde entwickelt wurde. Das Verfahren beruht auf dem Joule-Thomson- Effekt, welcher besagt, dass komprimierte reale Gase durch Druckminderung (Expansion) eine Temperaturänderung erfahren. Da bei idealen Gasen die Wechselwirkung der Teilchen nicht berücksichtigt wird, kommt dieser Effekt dabei nicht zum Tragen. Beim Linde-Verfahren wird die Luft zuerst von Wasserdampf, Staub und Kohlenstoffdioxid befreit und anschließend auf ca. 200 bar komprimiert, wodurch sich die Temperatur um ca. 45 Kelvin erhöht. Nachdem sich die komprimierte Luft auf Raumtemperatur abgekühlt hat (mittels Wärmetauscher), lässt man sie wieder auf Normaldruck expandieren, wodurch sie noch mal um 45 Kelvin abkühlt. Abb. 2: Schema Linde-Verfahren [3a] - 1 -

2 Diese Kaltluft dient nun zum Vorkühlen der komprimierten Luft (Gegenstromprinzip), die nach der Expansion noch kälter wird, bis sie sich schließlich nach mehreren Wiederholungen des Abkühlvorganges verflüssigt (s. auch Abb. 2). Aus der so gewonnenen flüssigen Luft lassen sich anschließend die Hauptbestandteile Stickstoff und Sauerstoff (Siedepunkt: -183 C) durch fraktionierte Destillation voneinander isolieren. [1b, 3b, 4a] 3. Verwendung Flüssiger Stickstoff dient als Kühlmittel, insbesondere zum Schnellgefrieren von Lebensmitteln (Schockgefrieren), bei der Eisherstellung oder in der immer populärer werdenden Molekularküche. Aber auch in der Medizin können damit Blut, Eizellen, Sperma, und andere biologische Materialien langfristig konserviert werden (Kryokonservierung). Hautärzte verwenden flüssigen Stickstoff zur Warzenvereisung (Kryotherapie). Auch in technischen Bereichen gibt es viele Verwendungsmöglichkeiten: Chemische oder physikalische Versuche, bei denen mit tiefen Temperaturen gearbeitet werden soll (Kryotechnik), z. B. werden Supraleiter mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Weitere Anwendungen sind das Kühlen von Computerhardware oder das Verbinden zweier Maschinenbauteile durch das so genannte Kaltdehnen, bei dem der Effekt des Schrumpfens und wieder Ausdehnens von Metallen bei größeren Temperaturänderungen ausgenutzt wird. [1c, 5a] 4. Lagerung Im gasförmigen Zustand wird Stickstoff in Druckgasflaschen aufbewahrt. Diese Behälter werden heute durch eine grau/schwarze, bzw. grau/grüne Färbung gekennzeichnet. Flüssiger Stickstoff bedarf aufgrund des niedrigen Siedepunktes einer besonders effizienten Isolierung, damit er bei Raumtemperatur nicht sofort verdampft. Hierzu werden sogenannte Dewargefäße benutzt. Benannt sind sie nach dem schottischen Physiker Sir James Dewar, der erstmals 1874 solche Gefäße verwendete. Diese Behälter sind doppelwandige, verspiegelte, evakuierte Glas- oder Edelstahlgefäße (s. Abb. 3). Sie vermindern alle drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung (Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion). So ist man in der Lage, Stickstoff über Stunden zu lagern. [6a] Abb. 3: Schema: Querschnitt durch ein Dewargefäß [6] 5. Experimente Sicherheitshinweis: Flüssiger Stickstoff kann auf der Haut starke Erfrierungen hervorrufen Keine Ringe und Uhren beim Experimentieren mit flüssigem Stickstoff tragen Unbedingt mit Schutzbrille, Laborkittel und Handschuhen arbeiten [5b] - 2 -

3 5.1. Veränderung der Elastizität Dewargefäß, Blume, Banane, Brett, Nagel flüssiger Stickstoff Der flüssige Stickstoff wird vorsichtig in das Dewargefäß geschüttet. Anschließend taucht man die Blume bzw. die Banane für einige Zeit in dem Gefäß unter. Ob das Objekt vollständig durchfroren ist, erkennt man daran, dass der Stickstoff kaum noch siedet. Danach zerschlägt man die Blume auf einem Tisch. Mit der Banane wird versucht, einen Nagel in ein Brett zu treiben. Die Blume zersplittert wie Glas. Die Banane besteht den Test als Hammer. Die niedrige Temperatur des Stickstoffs führt dazu, dass die Zellflüssigkeit gefriert. Da die Blume sehr filigran aufgebaut ist, kann sie der Krafteinwirkung nicht widerstehen und zerbricht. Die Banane hingegen ist im gefrorenen Zustand wesentlich robuster, sodass sie durchaus als Hammer fungieren kann. [7a, 8b] 5.2. Entfärben von Schwefel Dewargefäß, Reagenzglas, Reagenzglasklammer Schwefel, flüssiger Stickstoff Der Schwefel wird in das Reagenzglas gegeben und anschließend in das mit flüssigem Stickstoff befüllte Dewargefäß gehalten. Die Farbe des Schwefels ändert sich von gelb zu weiß. Durch die tiefe Temperatur des Stickstoffs verändert sich die Lage der Energieniveaus der Elektronen des Schwefels zueinander, was die Veränderung der Wellenlänge des absorbierten Lichts zur Folge hat. Dieser Vorgang ist reversibel. [8b] 5.3. Volumenänderung Dewargefäß, Luftballon, Mülltüte, Tischtennisball, Stecknadel - 3 -

4 Flüssiger Stickstoff Der Luftballon wird aufgeblasen, verknotet, in das Dewargefäß gegeben und wieder heraus geholt. In die Mülltüte wird flüssiger Stickstoff geschüttet und das obere Ende mit der Hand zugehalten. In den Tischtennisball wird mit einer Stecknadel ein Loch gestochen, dann wird er im Dewargefäß untergetaucht und anschließend auf die Tischplatte gesetzt. Der Luftballon schrumpft bei Kontakt mit flüssigem Stickstoff komplett zusammen. Holt man ihn wieder heraus, so dehnt er sich wieder auf das alte Volumen aus. Die Mülltüte bläht sich auf. Aus dem Tischtennisball entweicht Dampf und er dreht sich. Durch Unterschreiten des Siedepunktes der Luftbestandteile verflüssigt sich der Inhalt des Luftballons, was mit einer drastischen Volumenabnahme einhergeht. Bei Raumtemperatur nimmt die Luft wieder gasförmigen Zustand an und der Ballon vergrößert sich wieder. Auch bei der Mülltüte tritt dieses Phänomen auf. Durch das Loch des Tischtennisballs dringt flüssiger Stickstoff ins Innere, dieser verdampft bei Raumtemperatur durch das Loch, was den Ball zu einer Rotationsbewegung veranlasst. [7a] 5.4. Leidenfrost sches Phänomen Dewargefäß, Plastikgefäß Flüssiger Stickstoff, warmes Wasser Über die bloße, trockene Hand einer Versuchsperson wird flüssiger Stickstoff geschüttet (Keine Mulde bilden!). In das Plastikgefäß mit warmem Wasser wird langsam Stickstoff eingegossen. Der flüssige Stickstoff perlt von der Hand ab, ohne Verletzungen zu verursachen. Aus der Plastikschale steigen Nebelschwaden auf. Durch den großen Temperaturunterschied zwischen Hand und flüssigem Stickstoff, verdampft dieser sofort bei Kontakt und bildet ein schützendes Polster auf der Haut. Diesen Effekt nennt man Leidenfrost sches Phänomen. Benannt wurde es nach dem Mediziner Johann Gottlob Leidenfrost, der den tanzenden Wassertropfen auf einer heißen Platte erstmals 1756 beschrieb

5 Auch 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. [8a, 9a] 5.5. Tiefe Temperatur Dewargefäß, Metallschale, Glimmspan, Plastikschale, Schneebesen Flüssiger Stickstoff, Eismasse (Sahne, Zucker, Erdbeeren) oder Fruchtjoghurt In die Metallschale wird flüssiger Stickstoff gegeben (Handschuhe!). Den glühenden Glimmspan hält man an den Boden der Außenwand. Die Eismasse wird in die Plastikschale gegeben und unter Rühren flüssiger Stickstoff hinein geschüttet. Der Glimmspan leuchtet hell auf. Die Eismasse gefriert innerhalb von wenigen Sekunden. Da Sauerstoff einen höheren Siedepunkt als Stickstoff besitzt (-182,9 C), kondensiert dieser am Äußeren der Metallschale und sammelt sich in Tropfen am tiefsten Punkt. Der Sauerstoff wird durch die Glimmspanprobe nachgewiesen. Durch die niedrige Temperatur des flüssigen Stickstoffs kühlt die Masse in Sekunden ab. Dies geschieht so schnell, dass sich keine großen Eiskristalle ausbilden können. Das Eis kann bedenkenlos verzehrt werden, da der Stickstoff ungiftig ist und außerdem verdampft. [10a, 10b] 6. Lehrplanbezug Das Thema Flüssiger Stickstoff ist nicht im Lehrplan des G8 Gymnasiums verankert. Einzig in der 5. Jahrgangsstufe Natur und Technik (NT Naturwissenschaftlichtechnologisches Gymnasium Themenbereiche und Konzepte: Luft) und in der 8. Jahrgangsstufe. Chemie (C NTG 8.1 Stoffe und Reaktionen: Luft als Stoffgemisch) lässt sich eine sinnvolle Unterbringung gestalten. Jedoch eignen sich die Versuche immer gut als Motivation oder als Weiterführung. Auch ein fächerverbindender Unterricht mit der Physik ist durchaus denkbar. [11a, 12a] 7. Literatur [1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, W. de Gruyter-Verlag, Berlin, 2007, S. 499, 502, 652, 653, 655 [a] S. 502, 652, 653 [b] S. 499 [c] S. 655 [2] (Stand: 4. Juli 2011) - 5 -

6 [3] Ch. E. Mortimer, U. Müller: Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage, Georg Thieme-Verlag, Stuttgart, 2007, S. 159, [b] S. 405 [4] (Stand: 4. Juli 2011) [5] (Stand: 4. Juli 2011), 2 [b] S. 2 [6] (Stand: 3. Juli 2011) [7] L. R. Summerlin, C. L. Borgford, J. Ealy, Chemical demonstrations, volume 2, 1988, Amer. Chem. Soc., Washington, DC, USA, S [a] S. 20 [8] E. Bader, H. Körperth, R. Scheer: Experimentelle Schulchemie, Nichtmetalle (I), Aulis-Verlag Deubner & Co KG Köln, 1969, S [b] S. 131 [9] (Stand: 16. August 2011) [10] (Stand: 16. August 2011) [b] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: S. Schmidt; Flüssiger Stickstoff, , Sommersemester 2003, Regensburg; s. auch demo_ss03/stickstoff.pdf [11] =26334 (Stand: 4. Juli 2011) [a] S. 2 [12] =26448 (Stand: 4. Juli 2011) - 6 -