Химия и Химики № 1 2013. Опыты с жидким азотом

Азотный фонтан

Описанный ниже опыт принадлежит к разряду классических экспериментов с жидким азотом. Суть эксперимента проста: сосуд с азотом закрывают пробкой с вставленной в нее трубкой. Снизу трубка доходит почти до дна сосуда, сверху - поднимается на несколько метров над сосудом. За счет поступления тепла извне, жидкий азот постепенно испаряется, но поскольку сосуд закрыт пробкой, газообразный азот не может его покинуть и выдавливает жидкость в трубку. В результате из трубки начинает быть фонтан жидкого азота, образуя много тумана. Опыт прост в исполнении, но имеет существенный недостаток: он требует сравнительно много жидкого азота.

Поскольку с жидким азотом у нас проблемы, масштабы эксперимента пришлось уменьшить. Мы использовали литровую полипропиленовую промывалку, в пробку которой вставлена трубка (также полипропиленовая). Снизу трубка доходила почти до дна, сверху выступала сантиметров на 20 над пробкой (чтобы трубка была расположена вертикально, ее закрепили в штативе).

В промывалку с помощью стеклянной воронки налили примерно пол-литра жидкого азота [1]. Быстро закрутили пробку с трубкой - сразу же пошел "азотный дождь": частично под него попал и экспериментатор, но без каких-либо неприятных ощущений. Азотный фонтан бил примерно на высоту полтора метра, образуя много белого тумана. Капли азота с шипением падали на пол.

Осталось еще примерно 300 мл азота, и мы повторили опыт. Снова получилось, но в обоих случаях фонтан быстро прекращался: жидкого азота было мало.

Эксперимент дал возможность наблюдать изменение механических свойств полипропилена при охлаждении его жидким азотом. Когда наливали жидкий азот в промывалку, раздавался звук, похожий на треск (термические деформации), полипропилен стал твердым и, как оказалось, - хрупким: когда промывалку раскручивали после опыта, трубка разломалась. Эту трубку без труда удалось сломать еще раз, после чего она нагрелась и восстановила пластичность: при сгибании трубка гнулась, но больше не ломалась.

Возникла мысль использовать более длинную трубку, чтобы фонтан бил под потолок. Мы взяли двухлитровую ПЭТФ (полиэтилентерефталатную) бутылку и примерно литр жидкого азота. К бутылке имелась резиновая пробка с трубкой (от другой промывалки). Над пробкой трубка изгибалась под углом 90 градусов, но мы не придали этому значения. Снизу (под пробкой) трубку продлили так, чтобы она доставала до дна бутылки, сверху (над пробкой) присоединили отрезок резиновой трубки, а еще выше - кусок ПВХ трубки. Суммарная длина трубок составляла более 1.5 м.

В бутылку налили азот, быстро закрыли ее пробкой с трубкой. Сразу же раздалось шипение, но фонтан начал бить с задержкой секунд 5. Образовалось много тумана, капли азота, если и вылетали из трубки, до пола они не долетали. Еще через несколько секунд резиновая трубка с шумом рассыпалась. Образовалось много осколков, длиной от нескольких миллиметров до 15-20 сантиметров, причем резина разрушилась в основном не поперек, а вдоль оси трубки.

Мимо воли поучилась еще одна вариация опыта "Хрупкость резины в жидком азоте". Самое интересное: мы не забыли, что резина при охлаждении становится хрупкой, но хрупкость еще не означает непрочность - поэтому при отсутствии других подручных средств взяли именно резиновую трубку. Видимо, причиной разрушения были термические деформации, которые оказались слишком сильными. В свою очередь, в усилении деформаций не последнюю роль мог сыграть изгиб в нижней части трубки.

____________________________________
¹ Для удобства между горлышком и воронкой нужно проложить палочку или свернутую бумажку - чтобы между горлышком и воронкой оставался зазор для выхода паров азота. В противном случае испарившийся азот будет выходить через отверстие воронки - это будет мешать переливанию и увеличит потери жидкого азота.

Смотреть Видео (66 Мб, .avi ) Смотреть Видео 2 (80 Мб, .avi ) Смотреть Видео 3 (54 Мб, .avi )