Химия и Химики № 3 2012. Опыты со сжиженными углеводородами (алканы)

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Пропан и бутан вместо жидкого азота
(Сфероидальное состояние, туман, разбивание цветов)

Как извлечь сжиженный газ?

Многим, наверное, хотелось увидеть жидкий азот и провести с ним интересные опыты. На первый взгляд удовлетворить это желание не так и сложно. Жидкий азот - важнейший продукт промышленности, который выпускается в больших масштабах и перевозится огромными цистернами. На крупных установках ректификации воздуха себестоимость литра жидкого азота гораздо ниже, чем литра бензина или литра растительного масла.

Однако, несмотря на массовое производство и широкое использование жидкого азота, достать его проблематично. Между тем можно провести немало интересных опытов, используя вместо жидкого азота его суррогат - сжиженный углеводородный газ. Такой газ продается в баллонах или небольших баллончиках и используется в качестве топлива для зажигалок, туристических горелок и т.п. Сжиженный газ варьирует по своему составу в зависимости от производителя, однако в основном он содержит бутан (изобутан) и некоторое количество пропана (в "зимних смесях").

К сожалению, смеси пропана, бутана и изобутана не позволяют достичь охлаждения, достаточного для того, чтобы наблюдать образование паровой подушки между каплей и ладонью (сфероидальный эффект) или заморозить до хрупкого состояния резину и другие материалы. Однако ряд интересных опытов с такими смесями провести можно. Во время экспериментов не забывайте, что пропан и бутан огнеопасны. Эксперименты нужно ставить под тягой или на открытом воздухе.

В баллончиках сжиженный газ имеет комнатную температуру, однако он находится под повышенным давлением. Когда жидкий газ вытекает из баллона, его давление резко падает до атмосферного. В результате углеводороды (пропан, бутан, изобутан) начинают кипеть и быстро испаряться. За счет испарения жидкость охлаждается. Когда ее температура опускается ниже температуры кипения, кипение жидкого газа прекращается, однако активное испарение продолжается. Поэтому необходимо максимально защитить жидкость от поступления тепла извне.

Теперь расскажем о том, как извлечь сжиженный газ. В нашем распоряжении был туристический баллончик (вместимостью 220 г). На металлическую трубочку клапана (не вдавливая его) осторожно наденьте (до половины) силиконовую трубочку от "капельницы" или другую трубку, подходящую по размеру. Теперь перевернув баллон и нажав с помощью пинцета на клапан можно добиться выхода сжиженного газа в виде струйки.

В качестве емкости для сбора жидкости мы использовали пенопластовый стаканчик. В нем жидкий газ хранится сравнительно долго. По внешнему виду он похож на жидкий азот. Когда мы погрузили в жидкость термометр, он показал примерно минус 19 - минус 20°С, однако подув на поверхность жидкости, легко добиться понижения температуры до минус 30°С, вследствие ее испарения.

Смотреть Видео (3 Мб, .avi )

Сфероидальное состояние

Конечно, это не жидкий азот (температура кипения минус 196°С), но даже с помощью такого его "высокотемпературного аналога" можно продемонстрировать опыт со сфероидальным состоянием жидкости.

Разумеется, если просто капнуть сжиженный углеводородный газ на ладонь или на какую-либо поверхность (комнатной температуры), наблюдать сфероидальное состояние не удастся: слишком мала разность температур. На ладони сжиженный газ просто растекается, давая ощущение обжигающего холода.

Однако достаточно подогреть ложку в стакане кипятка (можно вырезать донышко от алюминиевой банки) и капнуть жидкий газ. Мы увидим, как капли с шипением бегают по поверхности металла. Благодаря значительной разнице температур, жидкость активно испаряется от контакта с нагретой поверхностью, в результате возникает паровая подушка, и прямой контакт капли с поверхностью теряется. Другими словами, наблюдается сфероидальное состояние жидкости. На горячей поверхности капли углеводородов внешне неотличимы от жидкого азота.

Смотреть Видео (7 Мб, .avi )

Туман

Многие знают, что при контакте жидкого азота с водой (не обязательно горячей) образуется туман. Аналогичный эффект удалось достичь и с помощью сжиженного углеводородного газа: вылив сжиженный газ в кипяток, мы получили туман. К сожалению, эффективность образования тумана в этом случае гораздо ниже (по сравнению с жидким азотом).

Смотреть Видео (4 Мб, .avi )

Разбивание цветов

Большинство читателей, безусловно, знают, что цветок, замороженный в жидком азоте, можно разбить. Например, на лекционных демонстрациях с жидким азотом нередко показывают опыт, в котором разбивают розу.

Мы решили провести аналогичный эксперимент по охлаждению цветов и листьев в сжиженном углеводородном газе. Получилось - несмотря на такую высокую температуру! Хотя хрупкость меньшая, чем при охлаждении азотом, но растения разбиваются неплохо. К сожалению, они очень быстро оттаивают, поэтому проводить опыт нужно быстро.

В числе прочего мы попробовали разбивать ромашку и одуванчик - в результате жидкий газ окрасился в желтый цвет и это неспроста: пропан-бутановая смесь хорошо экстрагирует некоторые вещества из растений. Не случайно ее используют в промышленности для экстракции из растений биологически-активных веществ и других ценных продуктов, которые разлагаются при нагревании (пигменты и эфирные масла, полифенольные соединения, производные антрацена и др.) [1].

________________________________
¹ Кроме сжиженной пропан-бутановой смеси для экстракции используется углекислый газ, фреоны и другие жидкие газы - см. Чуешов В.И. и др. Промышленная технология лекарств, Т.2 (1999) ссылка

Смотреть Видео (14 Мб, .avi )

Замораживание ртути

При достаточном охлаждении ртуть - единственный металл, жидкий при комнатной температуре - замерзает. В частности, из ртути можно сделать молоток, которым можно забивать гвозди. Обычно для замораживания ртути используют жидкий азот.

К сожалению, попытка заморозить капельку ртути (температура плавления - минус 38.8°C) с помощью жидкого углеводородного газа не удалась - несмотря на продувание воздуха. Тогда мы решили использовать пятилитровый баллон с надписью "пропан" (температура кипения пропана - минус 42.1°C). Вскоре оказалось, что полученная из баллона жидкость не в состоянии заморозить ртуть. Вывод напрашивается сам собой: в баллоне был не чистый пропан, а пропан-бутановую смесь (пропан, бутан, изобутан), причем в конденсате, разумеется, содержится избыток более высококипящих газов - бутана (температура кипения минус 0.5°C) и изобутана (температура кипения минус 11.7 °C). Кроме того, смесь содержит меркаптаны (которые добавляют в газ, чтобы можно было заметить утечку). В результате посуда и руки долго источали неприятный "газовый запах".