Flüssiger Stickstoff

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Sommersemester Betreuung: Dr. M. Andratschke Referenten: Wolfgang Erben, Michael Brandl 1. Das Element Stickstoff Das Element Stickstoff gehört zur 5. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente den Pentelen und trägt das Elementsymbol N, welches sich von seiner lateinischen Bezeichnung nitrogenium ableitet. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff kommt davon, dass der molekulare Stickstoff Flammen löscht ( erstickt ) oder dass in reinem Stickstoff Lebewesen ersticken. Stickstoff ist ein farb, geruch und geschmackloses Gas, ist nicht brennbar und in Wasser wenig löslich. Bei einer Temperatur von 195,82 C kondensiert es zu einer farblosen Flüssigkeit und erreicht schließlich bei 209,99 C seinen Erstarrungspunkt. In der Natur liegt Stickstoff in molekularer Form als Dimer (N 2 ) vor. Dabei sind die beiden Atome durch eine Dreifachbindung verbunden, was das Molekül sehr stabil und reaktionsträge macht. Mit rund 78 Vol. % ist Stickstoff der Hauptbestandteil der Luft (s. Abb. 1), in der sich zugleich ungefähr 99 % des insgesamt auf der Erde vorkommenden Stickstoffs befinden. In gebundenem Zustand findet er sich hauptsächlich in Form von Nitraten, wie Natriumnitrat und Kaliumnitrat. Zudem kommt er in der Biosphäre zum Beispiel in Form von Eiweißstoffen der tierischen und pflanzlichen Organismen vor. Beim Menschen macht er etwa 3 % (2 2,5 kg) des Körpergewichtes aus. [1 3] Zusammensetzung der Luft: 0,934 % 0,040 % 20,942 % Stickstoff Sauerstoff Argon Sprengase 78,084 % Abbildung 1: Volumenanteile der Luft (nach [2]) 1

2 2. Gewinnung von Stickstoff Die technische Darstellung des Stickstoffs erfolgt durch die fraktionierende Destillation flüssiger Luft, die nach dem Linde Verfahren gewonnen wird. Es wurde Ende des 19. Jahrhunderts von C. v. Linde und unabhängig davon von W. Hampson aufgefunden und später durch G. Claude weiter verbessert. Dabei wird die Luft zunächst in der Linde Maschine auf 200 bar komprimiert und die dabei entstehende Kompressionswärme mittels Kühlwasser abgeleitet. Durch ein Drosselventil wird die Luft dann auf einen Druck von 20 bar entspannt, wobei eine Abkühlung von ursprünglich etwa 45 C auf 30 C erfolgt. Dieser Effekt des Abkühlens komprimierter Gase beim Entspannen wird nach deren Entdeckern J. P Joule und W. Thomson als Joule Thomson Effekts bezeichnet. Die abgekühlte Luft dient zur Vorkühlung weiterer nachströmender Luft mittels eines Wärmeaustauschers. Nach deren Kompression, Wasserkühlung und Entspannung werden so tiefere Temperaturen erreicht. Erst nach mehrmaligem Durchlaufen dieses Zyklus verflüssigt sich ein Teil der Luft. Diese wird dann in der fraktionierenden Destillation unter Ausnutzung der unterschiedlichen Siedepunkte in ihre Bestandteile aufgetrennt. [1, 4] Stickstoff wird als Gas heute größtenteils in grauen Abbildung 2: Linde Verfahren [4] Stahlflaschen aufbewahrt. muss in speziellen, gut isolierten Gefäßen, den so genannten Dewar Gefäßen, aufbewahrt werden. Diese verspiegelten, doppelwandigen, evakuierten Glas oder Edelstahlgefäße verhindern das Erwärmen des flüssigen Stickstoffs, der sonst bei Raumtemperatur schnell verdampfen würde. Der Preis von Flüssigstickstoff liegt normalerweise zwischen einigen Cent und fünf Euro pro Liter. [1, 4 6] 3. Verwendung von flüssigem Stickstoff ist zum einen eine kompakte und einfach zu transportierende Quelle von Stickstoffgas, zum anderen wird er aufgrund seiner extrem niedrigen Temperatur von 196 C in vielen Bereichen als Kältemittel eingesetzt. So zum Beispiel beim Schockgefrieren von Nahrungsmitteln oder bei der Kryokonservierung von Blut, Ei und Samenzellen sowie anderer biologischer Materialien bis hin zu Menschen oder Haustieren, in der Hoffnung, sie irgendwann wiederbeleben zu können. Der Vorteil des schnellen Gefrierens durch den flüssigen Stickstoff liegt dabei darin, dass die Zellstrukturen weitgehend unbeschädigt bleiben. In der Medizin dient er bei der so genannten Kryotherapie u. a. der Entfernung von Warzen oder Tumoren. In der Technik wird er zur Kühlung von Computerhardware und Hochtemperatursupraleitern eingesetzt oder um mechanische Bestandteile während des Zusammenbaus von Maschinen vorübergehend einzuschrumpfen. Im Tiefbau wird er zur Bodenvereisung verwendet, um die Stabilität des Erdreichs zu gewährleisten und Wasserzutritt zu verhindern. [1, 3, 5] 2

3 4. Demonstrations-Versuche ACHTUNG: Durch flüssigen Stickstoff kann es zu schweren Erfrierungen kommen! Schutzbrille aufsetzen und Laborkittel tragen! Thermisch leitende Gegenstände, wie zum Beispiel Schmuck, müssen vor dem Experimentieren abgenommen werden! 4.1 Schockgefrieren [7, 8] Sonstiges: Dewar Gefäß, Brett, Nagel Banane, Blume, Würstchen Durchführung: Eine Blume, ein Würstchen und eine Banane werden für eine Zeit lang in flüssigen Stickstoff getaucht, welcher sich in einem Dewar Gefäß befindet. Die Blume kann in der Hand zerdrückt werden, das Würstchen wird durch Schlagen auf den Tisch zerspringen und mit der Banane versucht man, einen Nagel in ein Holzbrett zu schlagen. Beobachtung: Die Blume zerfällt in viele kleine Teile. Das Würstchen zerspringt in größere gefrorene Stücke. Mit der Banane kann ein Nagel in das Holzbrett gehämmert werden, da diese nicht so einfach zerbricht. Bei der schnellen Abkühlung mittels flüssigen Stickstoffs gefriert die Zellflüssigkeit, ohne dass sich größere Eiskristalle bilden, welche die Zellstruktur beschädigen würden. Durch Ausübung von mechanischer Kraft auf die Objekte, können diese zerstört werden. Die Banane besitzt im Gegensatz zur Blume und dem Würstchen eine kompaktere Masse und kann somit auch als Hammer benutzt werden, wohingegen Blume und Würstchen dünnwandig aufgebaut sind und dadurch leicht zerspringen. 4.2 Volumenänderung [7, 8] Luftballon, Dewar Gefäß, Kältehandschuhe Durchführung: Man bereitet einen bereits aufgeblasenen Luftballon vor und legt diesen in flüssigen Stickstoff. Bei der Vorführung nimmt man diesen dann heraus. Beobachtung: Im flüssigen Stickstoff schrumpft der Luftballon deutlich zusammen. Außerhalb des flüssigen Stickstoffs nimmt der Ballon seine ursprüngliche Form an. Luft, die im Ballon enthalten ist, kondensiert. Die Luft verflüssigt sich, da Sauerstoff und Stickstoff durch flüssigen Stickstoff unter ihre Siedetemperatur gekühlt werden. 3

4 Flüssigkeiten nehmen weniger Volumen ein als Gase. Aus diesem Grund schrumpft der Ballon, wenn er in flüssigen Stickstoff getaucht wird und dehnt sich andererseits wieder aus, sobald man ihn aus dem flüssigen Stickstoff herausnimmt. Die Ideale Gasgleichung (p*v = n*r*t) besagt, dass das Produkt aus Druck p und Volumen V gleich dem Produkt aus Stoffmenge n, Temperatur T und der idealen Gaskonstante R ist. Wir gehen von einem konstanten Druck aus. Bei Veränderung der Temperatur muss sich demnach auch das Volumen des Stoffes verändern. 4.3 Entfärbung anorganischer Substanzen [7, 9] Reagenzglas, Dewar Gefäß Schwefel (S), flüssiger Stickstoff Durchführung: In ein Reagenzglas gibt man etwas Schwefel Pulver. Das gefüllte Reagenzglas gibt man in flüssigen Stickstoff. Dann vergleicht man den gekühlten Schwefel mit dem ungekühlten Schwefel. Beobachtung: Im Vergleich zum Ausgangszustand verändert der Schwefel bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff seine Farbe. Er wird fast weiß. Lässt man den gekühlten Schwefel bei Raumtemperatur stehen, nimmt er nach einiger Zeit seine ursprüngliche Farbe wieder an. Die Lage der Energieniveaus der Elektronen relativ zum Ausgangszustand verändert sich durch die starke Abkühlung. Es kommt zu einer Farbveränderung, weil der Stoff Licht einer anderen Wellenlänge absorbiert. 4.4 Leidenfrost`sches Phänomen [7, 10] Dewar Gefäß Durchführung: Über die Hand einer Person wird flüssiger Stickstoff geschüttet. ACHTUNG: Thermisch leitende Gegenstände, wie zum Beispiel Schmuck, müssen vor dem Experimentieren abgenommen werden, da es sonst zu Erfrierungen kommen kann! Beobachtung: Der flüssige Stickstoff perlt ab und die Person nimmt keine Kälte wahr. Nach J. G. Leidenfrost, der dieses Phänomen an einem Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte beobachtet hat, bildet sich aufgrund der viel höheren Temperatur der Hand im Gegensatz zum flüssigen Stickstoff eine Dampfschicht, welche isolierend wirkt. 4

5 5. Lehrplanbezug Das Thema ist im Lehrplan nicht ausdrücklich vorhanden. [11 17] Die aufgeführten Versuche sind jedoch sehr gut zu Demonstrationszwecken geeignet, um das Interesse der Schüler am Fach Chemie zu wecken. 6. Quellenangaben: [1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter & Co. Verlag, Berlin, 2007, S. 499, 500, [2] (Stand: ) [3] (Stand: ) [4] Verfahren (Stand: ) [5] (Stand: ) [6] (Stand: ) [7] Demonstrationsversuche in Anorganischer Chemie: Pausch, J., Wild, M., Pöhnl, M., Flüssiger Stickstoff, ; regensburg.de/anorganische_chemie/pfitzner/ demo/demo_ss10/flüssiger%20stickstoff_jpmwmp.pdf (Stand: ) [8] L. R. Summerlin, C. L. Borgrord, J. B. Ealy: Chemical demonstrations, Volume 2, 1988, Amer. Chem. Soc., Washington, DC, USA, S. 20 [9] E. Bader, H. Körperth, R. Scheer: Experimentelle Schulchemie, Nichtmetalle (I), Aulis Verlag Deubner & Co KG Köln, 1969, S [10] Effekt (Stand: ) [11] gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26334 [12] gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26433 [13] gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26436 [14] gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26448 [15] gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26447 [16] gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26225 [17] gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=