Опыты с азотом в школе
Обновлено: 05.07.2024
Начать мы решили с жидкого азота, как наиболее интересного и одновременно зрелищного компонента для многих опытов. Для экспериментов мы наполнили сосуд Дьюара жидким азотом, взяли несколько пластиковых бутылок, садовую пластиковую бочку и 5000 шариков для настольного тенниса. И со всем этим нехитрым скарбом вышли во двор.
Мы хотели выяснить
- Через какое время разорвет пластиковую бутылку, если в нее налить жидкий азот и плотно закрыть крышкой?
- В каком месте бутылка разрывается: у горлышка или само тело бутылки?
- Какую бутылку разорвет быстрее: наполненную жидким азотом наполовину или на четверть?
- А если бутылку с жидким азотом накрыть бочкой?
- Что будет, если в бочку поместить бутылку с жидким азотом и засыпать теннисными шариками?
Эксперимент №1: жидкий азот и пластиковая бутылка
В пластиковую бутылку из-под минеральной воды налили около 200 мл жидкого азота и плотно закрутили пробкой.
Бутылку разорвало через примерно через 4 минуты. Проводили 3 одинаковых эксперимента, время колебалось от 3:40 до 4:00 минут. Погрешности между опытами получились, вероятно, из-за разного количества азота и из-за разницы во времени, между наливанием азота и закручиванием крышки.
Эксперимент №2: две пластиковые бутылки и разное количества жидкого азота в каждой
В две одинаковые пластиковые бутылки налили разное количество жидкого азота. В первой было около половины, во второй — пятая часть.
Бутылку с большим количеством жидкого азота разорвало быстрее, но не на много. Вторая взорвалась буквально через несколько секунд. Возможно, вторую поторопила взрывная волна от первой бутылки.
Эксперимент №3: пластиковая бутылка с жидким азотом и садовая бочка сверху
Как и в первом эксперименте, мы наполнили бутылку жидким азотом, закрутили крышкой и сверху накрыли садовой пластиковой бочкой.
В результате взрыва бутылки, бочка подскочила вверх и оторвалась от земли на несколько десятков сантиметров. При том, что бочка довольно тяжелая.
В будущем можно будет попробовать сделать картонную бочку в форме ракеты, обмотать ее скотчем (как советовал один из наших зрителей) и попробовать запустить эту конструкцию вверх.
Эксперимент №4: пластиковая бутылка с жидким азотом, бочка и 5000 шариков для пинг-понга
В садовую бочку поставили бутылку с жидким азотом и засыпали все шариками для настольного тенниса.
- стоячая бутылка в бочке — 1 метр;
- лежачая бутылка в бочке — 3 метра.
Если у кого есть интересные идеи экспериментов для подобного рода сюжетов, пожалуйста, оставляйте их в комментариях!
Книга с детскими опытами
А еще хочу сказать, что наша книга для детей с простыми опытами уже близится к печати. Предзаказ на книгу по-прежнему открыт.
Не важно, руководите вы крупной компанией или пока еще начинающий тимлид, а может, работаете продакт- или проджект-менеджером. Приходите на TeamLead Conf 2022 — крупнейшую в России конференцию-практикум для руководителей, которая пройдет 21–22 марта в Москве.
Что там будет?
Два дня концентрированного опыта, знаний и общения. Вы узнаете, как грамотно управлять командой и приносить пользу бизнесу. Программа построена так, что каждый доклад — это разбор и решение конкретной задачи. Участники получат новый опыт, отработают навыки на мастер-классах и заведут полезные знакомства.
Кстати, на конференции стоит ходить хотя бы ради нетворкинга. Среди спикеров:
• Евгений Идзиковский — психолог частной практики с докладом про выгорание: как уберечь от этого себя и своих сотрудников.
Что еще будут обсуждать?
Главная тема конференции в этом году — профессиональный рост.
• Как выживать руководителю в условиях непрерывной гонки
• First-time management: что делать, если вы недавно получили должность руководителя
• Борьба с тайм-киллерами: учимся эффективно планировать личное время
• Как снизить текучку в команде
• Удаленка 2.0. Как оставаться эффективным и не выгорать
• Альтернативные подходы управления командой
• Организация неформального общения внутри компании и многое другое
Только в 2022 году бонусом два трека от создателей Knowledge Conf — конференции по управлению знаниями.
Когда и где?
Что будет, если бросить кипятильник в жидкий азот
Предупреждаем, что все сказанное в данной статье носит ознакомительный характер, и повторять эти эксперименты на практике не стоит, так как они опасны. И все же очень интересно, что же будет, если просить кипятильник в жидкий азот. Сперва ознакомимся с главными участниками эксперимента: азот, и кипятильник.
Жидкий азот
У азота существует четыре агрегатных состояния, и жидкая форма одна из них. Как известно, при переведении газов в жидкое состояние большое значение имеет давление. При обычном атмосферном давлении температура кипения азота составляет -196*С, удельная плотность жидкого азота 0,808 кг/дм3. Из одного литра этого вещества при испарении получают 700 л газообразной фракции.
Используется жидкий азот преимущественно как источник газообразного азота, но в удобном компактном состоянии. Это вещество для огнетушителей, но в бытовых условиях его не встретишь, так как хранится оно от нескольких часов до нескольких недель.
Пожарные службы по вызову используют его, так как азот выделяясь охлаждает очаг, но его главное преимущество в том, что одновременно он вытесняет кислород, и горение становится невозможным. В отличие от воды и пены, азот не оставляет следов пожаротушения и быстро испаряется, так как при обычных атмосферных условиях вещество сразу смешивается с воздухом.
В веществе привлекает то, что оно не взрывоопасно и не ядовито, а его уникально низкая температура создает условия для множества увлекательных экспериментов. Но как раз в температуре и часть проблемы, так как условия для создания самого вещества в такой форме создать сложно, точнее энергетически, это затратный процесс
Кипятильник
Прибор способен кипятить воду в домашних условиях. Металлическая пружина крепится к изолированной пластиковой ручке, от которой идет провод. Спиралевидный стержень нагревается сам, и греет воду. По технике безопасности запрещено включать кипятильник, не опустив его в воду. В противном случае прибор перегреется и сгорит даже на весу, а при его соприкосновении с предметами может случиться возгорание в помещении.
Чем же так опасно включать кипятильник без воды? Дело в том, что его температура на максимуме достигает 800*С. Глину обжигают при 700*С, а при 900 уже размягчается металл и стекло. Так что такая температура сравнима с условиями плавильной печи при производстве стекла или металла.
До начала эксперимента стоит отметить, что при такой, казалось бы, высокой температуре для бытового прибора пружина даже не желтеет. Это особенность алюминия, трубка остается светло-серой, потому на видео эффект не такой, как хотелось бы экспериментаторам.
Эксперимент опускания кипятильника в жидкий азот
Для эксперимента берется кипящий жидкий азот, его наливают в миску, от которой тут же расходится по полу белый пар испаренного вещества. В комнатной температуре слишком жарко, чтоб жидкость долго оставалась в таком состоянии, потому придется поторопиться. На атмосфере при температуре +22*С прозрачная субстанция тут же закипает.
При добавлении в миску с жидким азотом раскаленного металлического шара тот не остыл полностью, а азот полностью не испарился. Это обстоятельство привело в замешательство, учитывая что азот начинает кипеть при -196*С. Интересный результат получается и при добавлении воды. Белый пар быстро заполняет всю комнату.
Кипятильник следует держать в перчатке с термической защитой. Миска с жидким азотом должна стоять на подставке. При опущении греющегося кипятильника моментально начинается реакция, при которой кипение, очевидно, становится интенсивнее.
Вопреки ожиданиям взрыва не происходит, но возможно это лишь потому, что кипятильник поначалу еще не нагрет. Ведь его нельзя раскалять без воды или вне другой жидкости, как азот.
В процессе нагрева металлического стержня кипячение проходит все интенсивнее и интенсивнее, и даже бьет высоким ключом. Однако вопреки ожиданиям, густого красивого пара нет. Его действительно просто нет, так как испарившийся азот настолько нагрет, что сразу переходит в атмосферу, смешиваясь с воздухом.
Ведь и наш воздух, как известно, на 80% состоит из того же самого азота, только другой температуры. И даже когда азот нагрет, это имеет эффект просто горячего воздуха, как если бы его нагрело солнце или даже костер.
Неожиданный поворот событий ожидает в конце. Алюминиевая трубка перегреваясь наконец-то краснеет и желтеет, и обламывается в кипящий азот. Та часть металлической части кипятильника, которая выглядывает из воды, не охлаждается, потому попросту плавится и отпадает.
Немного другого эффекта можно было бы ожидать от железного кипятильника, но такой сложно найти в продаже, так как он экономически менее целесообразен при изготовлении бытовых приборов. Но даже с железом эффект получился бы похожим.
Разобраться в этих хитросплетениях физических явлений учащимся помог кандидат физико-математических наук Алексей Дмитриевич Носонов.
Он продемонстрировал свойства жидкого азота на различных материалах: резина, деньги, воздушный шарик, пластмасса. Рассказав историю своей первой любви, наглядно показал влияние жидкого азота на живые розы. При контакте с веществом, роза замерзала и разбивалась как стекло. Если мы капнем жидкий азот на ладонь, ничего страшного не произойдет, так как образуется паровая подушка между каплей и кожей.
Манипуляции с жидким азотом вызвали настоящий восторг у школьников. Опыты показанные учащимся гимназии разрушили главный миф, что физика и химия — скучный предмет.
Азот, да не тот!
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы исследования. Однажды, на дне рождения моего друга выступал факир. Он говорил заклинания над сосудом, из которого вырывался магический туман. После представления я подошла к факиру и поинтересовалась о веществе, которое находится в сосуде. Факир открыл крышку, и я увидела бурлящую бесцветную жидкость, из которой вырывались клубы холодного дыма.
Вещество азот имеет три состояния: газообразное, жидкое и твердое. Жидкая форма азота очень популярна в настоящее время, поскольку в такой форме он выделяет колоссальное количество холода. В связи с этим жидкий азот массово используется в различных отраслях и в быту, что подтверждает актуальность данного исследования.
Предмет исследования:жидкий азот.
Гипотеза: При помещении различных веществ в жидкий азот наблюдаются явления, обусловленные его криогенными свойствами.
Цель исследования – изучить и экспериментально продемонстрировать криогенные свойства жидкого азота.
Задачи исследования:
1. Дать определение понятия криогенное вещество.
2. Изучить литературу об азоте, его состояниях и свойствах;
3. Узнать области применения жидкого азота, технологию его производства и хранения;
4. Провести анкетированный опрос знаний о жидком азоте;
5. Изучить криогенные свойства и эффект Лейденфроста жидкого азота, используя экспериментальный метод.
Научная новизна: Получены новые знания о жидком азоте и его свойствах. Экспериментальным путём изучены и подтверждены свойства жидкого азота, основным из которых является криогенное – это способность быстро замораживать предметы из различных материалов. Изучен и экспериментально подтвержден эффект Лейденфроста, позволяющий безопасно держать жидкий азот на поверхности ладони.
Практическое применение: Полученные результаты могут быть использованы на уроках по окружающему миру при изучении состояний (твердое, газообразное, жидкое) и свойств веществ (криогенное), а также внеклассных мероприятиях. Проведенные эксперименты можно использовать как практическое руководство для различных целей (обучающих, бытовых).
Методика исследования. Эксперименты с жидким азотом проводились в домашней лаборатории с соблюдением мер предосторожности, под контролем родителей.
В работе использовались следующие методы:
1. Сбора и изучения информации;
2. Статистической обработки собранной информации и анализа полученных результатов;
3. Проведения научных экспериментов;
4. Сравнения и обобщения полученных результатов.
Практическая значимость: получение и расширение знаний о жидкой форме азота, его промышленном производстве, сферах применения, изучение свойств жидкого азота с помощью экспериментов.
1. Обзор литературы
1.1. Свойства жидкого азота
Азот – это, пожалуй, один из самых распространенных элементов на нашей планете, он занимает четвертое место по распространенности. Свободный азот является главной составной частью воздуха, который содержит 79% этого элемента. Природные соединения азота — селитры встречаются только в условиях сухого пустынного климата (Чили, Индия, Египет, Испания). Небольшие количества связанного азота находятся в каменном угле (1-2,5%) и нефти (0,02-1,5%), а также в водах рек, морей и океанов. Он накапливается в почвах (0,1 %) и живых организмах (0,3%).
Физические свойства азота. Это бесцветный газ, формула N2, не имеет запаха, цвета, вкуса, слабо растворим в воде, обладает плотностью 1,2506 кг/м 3 .
1.2. История открытия
1.3. Интересные факты о жидком азоте
1.4. Производство и хранение жидкого азота
Если 1 литр азота в жидком состоянии нагревать, он будет испаряться и образует 700 литров газа. Хранят жидкий азот при температуре минус 200 градусов Цельсия и ниже. При минус 196°С жидкость закипает. Чтобы поддерживать низкую температуру азота, его помещают в сосуды Дьюара. Они похожи на большие термосы, сохраняют содержимое охлажденным за счет хорошей теплоизоляции. Сосуды Дьюара имеют двойные стенки, между которыми находится вакуум.
Следует помнить, что такие сосуды способны лишь задержать процесс испарения, но не полностью предотвратить его. В таком сосуде вещество может храниться несколько недель. Для уменьшения передачи тепла поверхности делают зеркальными за счет слоя серебра. Сосуды Дьюара могут быть разного объема, от одного до нескольких десятков литров. Емкости, вмещающие десятки литров, изготавливают из металла. Маленькие сосуды Дьюара используют для кратковременного хранения азота (до нескольких суток), они обычно стеклянные [2].
1.5. Техника безопасности при использовании и хранении жидкого азота
Несмотря на то, что жидкий азот очень холодный, кратковременное попадание небольшого его количества на кожу не опасно, так как в месте соприкосновения образуется воздушная подушка, обладающая низкой теплопроводностью. Но длительный контакт жидкого азота с кожей, глазами или слизистыми оболочками может вызвать их тяжелое повреждение. Пораженный участок при попадании вещества необходимо незамедлительно промыть большим количеством воды.
При испарении жидкого азота происходит его накопление на уровне пола из-за низкой температуры и большей плотности, чем у воздуха. Создается высокая концентрация азота, а количество кислорода уменьшается. Это может влиять на общее самочувствие человека: нарушается ритм дыхания, учащается пульс. Поэтому помещения, в которых производится или используется жидкий азот, необходимо оснащать надежной системой вентиляции или часто проветривать.
Нельзя хранить жидкий азот в герметично закупоренных сосудах. Это связано с тем, что в процессе испарения жидкого азота объем данного вещества увеличивается. При отсутствии возможности для расширения это неизбежно приведет к довольно сильному взрыву.
1.6. Области применения жидкого азота
Сегодня азот востребован во многих отраслях промышленности: пищевой, газовой, металлургической и т.д. Крупные масштабы добычи азота актуальны для нефтехимической индустрии.
В основном жидкий азот используется как компактный источник газообразного азота. Коэффициент объемного расширения жидкого азота составляет около 700 – то есть, из одного объема сжиженного газа при его испарении можно получить 700 объемов газа.
Также, жидкий азот используется в качестве хладагента для охлаждения различного оборудования, как в промышленности, так и в медицинских и научных учреждениях. В электронике он предотвращает окисление в процессе производства полупроводников.
В эстетической медицине жидким азотом удаляют некоторые кожные дефекты (бородавки, папилломы, гемангиомы). При помощи криогенной консервации жидким азотом сохраняют клетки и органы. Жидкий азот используется в медицинской практике для измельчения некоторых веществ или биологических тканей: объект сначала замораживают, потом разбивают, измельчают и растирают. Кроме того широкое применение жидкого азота нашло в разделе медицины – крионике для заморозки безнадежно больных людей и животных, в надежде на то, что в будущем их удастся оживить или вылечить.
Способ тушения пожаров с помощью жидкого азота – наиболее эффективный метод пожаротушения. Испаряясь, вещество быстро вытесняет кислород, который поддерживает горение, и огонь затухает. В последующем азот быстро выветривается из помещения, при этом сберегаются материальные ценности, которые могли бы быть повреждены водой, пеной или порошком.
2. Практическая часть исследования
2.1. Собственные наблюдения и опыты с жидким азотом
Изучив в литературных источниках информацию о жидком азоте, я решила проверить экспериментальным путем его свойства.
Таким образом, я сделала вывод, что жидкий азот – это бесцветная прозрачная жидкость, визуально похожая на воду, без вкуса и запаха. При комнатной температуре жидкий азот испаряется, переходя в газообразное состояние.
Я налила жидкий азот из пластикового стакана на свою ладонь, для того, чтобы проверить, безопасно ли держать его в руках без перчаток. Я не обожглась, благодаря наличию паровой подушки, которая образовалась между каплей жидкого азота и кожей моей ладони. Это называется сфероидальным эффектом или эффектом Лейденфроста, названного в честь немецкого физика, описавшего это явление в 1756 году (рисунок № 3).
Рисунок № 3. Эффект Лейденфроста.
Приловчившись, я даже смогла держать каплю азота на ладони подольше – для этого я немного перемещала свою ладонь (рисунок №4). Следует помнить, что при долгом нахождении капли на одном месте может возникнуть жжение, а затем – холодовой ожог.
Более того, в жидкий азот я безо всяких средств защиты опустила на короткое время свою руку (рисунок №5). Прослойка газа, которая образовалась между кожей моих пальцев кисти и жидким азотом, снова защитила меня от действия низких температур.
Таким образом, я сделала вывод, что, несмотря на низкую температуру жидкого азота -196°C, из-за эффекта Лейденфроста, его можно трогать сухими руками без защитных перчаток непродолжительное время.
Чтобы проверить, горючее ли вещество жидкий азот, я налила его в стакан, зажгла спичку и поднесла к стакану. Огонь моментально погас. Это объясняется тем, что жидкий азот быстро испаряется, вытесняет кислород и заполняет большую часть стакана газом азота, который не поддерживает горение.
Поэтому я сделала вывод, что жидкий азот не горит и не поддерживает горение (рисунок№6).
С помощью жидкого азота я смогла надуть воздушный шарик. В пластиковую бутылку я налила немного жидкого азота, затем плотно надела шарик на горлышко бутылки и наблюдала за тем, как шарик самостоятельно очень быстро надувался. Это явление обусловлено испарением жидкого азота в газ, который и раздувает шарик.
Таким образом, я еще раз убедилась, что жидкий азот – это газообразное вещество в жидком состоянии (рисунок №7).
Я провела еще один занимательный эксперимент с жидким азотом и воздушным шариком. Я надула шарик, поместила его в пластмассовую емкость и сверху на него лила жидкий азот. Шарик резко уменьшился в объеме, пока совсем не сморщился. Под действием жидкого азота возникает не только резкое уменьшение объема воздуха внутри шарика, но и переход воздуха в жидкое состояние – в шарике собирается небольшое количество мутной жидкости (мутность возникла за счет перехода в твердое состояние паров воды и углекислого газа).
Далее, я аккуратно вынула шарик из жидкого азота, он нагрелся и стал быстро надуваться. Вскоре он восстановил свою первоначальную форму и размеры (рисунок №8).
Таким образом, при охлаждении жидким азотом газа внутри шарика его объем уменьшается.
При помощи жидкого азота я самостоятельно сделала туман. Для этого в чайнике вскипятила воду и в емкость с жидким азотом добавила кипяток. Образовалось много белого тумана, который ударил из емкости небольшим фонтаном. Образовавшийся густой туман покрыл весь стол.
Появление тумана связано с резкой конденсацией паров воды при ее быстром охлаждении. По окончании опыта в емкости осталась вода, на поверхности которой плавали капли жидкого азота (рисунок № 9).
Многие вещества, даже стальные, при охлаждении до температуры жидкого азота становятся хрупкими и ломкими, как стекло. Я решила проверить это экспериментально.
Я взяла цветок и погрузила его в жидкий азот и подождала, пока прекратится бурное кипение жидкого азота, что является признаком того, что предмет охладился. Затем я вынула цветок, положила его на стол и ударила по нему молотком. Цветок при этом издал необычный хруст, напоминающий звуки бьющегося стекла, и разлетелся на осколки. Листочки цветка я также смогла раскрошить в своей ладони (рисунок № 10).
Чтобы продемонстрировать хрупкость резины, я охладила ее жидким азотом. Я взяла резиновую веревку и опустила ее в емкость с жидким азотом. Через несколько минут я вынула резину, положила на доску и ударила молотком. Охлажденная резина оказалась хрупкой и рассыпалась.
Таким образом, я сделала вывод, что многие вещества, погруженные в жидкий азот, становятся очень хрупкими.
Я также попробовала приготовить в домашних условиях мороженое с помощью жидкого азота (см. приложение, страница 26). Приготовление мороженого заняло всего несколько минут, поскольку его не нужно было замораживать в морозильной камере. Жидкий азот справился с этой задачей моментально, на вкусовых качествах мороженого это никак не отразилось, ведь жидкий азот не имеет вкуса и запаха.
2.1. Результаты анкетирования знаний о жидком азоте
Я решила проверить, знают ли мои сверстники о таком веществе, как жидкий азот? Для этого я составила анкету со следующими вопросами:
В анкетировании участвовали мои одноклассники – 26 человек и мои знакомые сверстники – 22 человека. Всего в анкетировании приняли участие 48 человек.
Жидкий азот считают опасным веществом большинство опрошенных – 40 человек (83%), а 8 (17%) человек думают, что он не опасен (рисунок № 11).
Из энциклопедии я узнала, что на самом деле жидкий азот при соблюдении техники безопасности неопасное вещество, он не токсичен и не горюч (эксперимент № 3). Кроме того, несмотря на его крайне низкую температуру (– 196 0 С), благодаря эффекту Лейденфроста, можно держать капельку жидкого азота на ладони и опускать в него руки на несколько секунд, что я подтвердила, проведя эксперимент № 2.
Выводы
На основании изученной литературы и проведенных экспериментов я сделала следующие выводы:
1. Жидкий азот – это вещество с температурой -196°C, получаемое путем сжижения газообразного азота. Он представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без вкуса и запаха, не горит. При комнатной температуре жидкий азот быстро испаряется, переходя обратно в газообразное состояние.
2. Жидкий азот обладает криогенными свойствами, что подтверждается хрупкостью многих веществ, при помещении в его среду.
3. Жидкий азот обладает эффектом Лейденфроста – образование паровой подушки между каплей азота и поверхностью кожи, что позволяет безопасно держать его некоторое время на ладони.
4. Жидкий азот широко используется как в промышленности, так и в повседневной жизни;
5. Жидкий азот не токсичное и безопасное вещество.
Заключение
Предметом моего исследования был жидкий азот. В данной работе я подробно изучила его свойства, структуру, технологию изготовления и хранения, области применения и технику безопасности при использовании вещества. При помощи экспериментов я выявила, что жидкий азот – газообразный азот в жидком состоянии без цвета, запаха, вкуса. Это криогенное вещество с температурой -196 C, не токсичное и не горючее.
Я доказала, что если помещать в жидкий азот различные вещества, то они становятся хрупкими, как стекло. А эффект Лейденфроста позволяет совершенно безопасно помещать в жидкий азот руку или держать его на ладони.
В процессе работы я выявила, что при правильном применении это вполне безопасное вещество. Однако для того, чтобы избежать неприятных последствий при использовании жидкого азота, работать нужно в хорошо проветриваемом помещении в перчатках.
Также я постаралась доказать актуальность применения жидкого азота в различных сферах деятельности человека. Особенно меня заинтересовала наука крионика, где использование жидкого азота в будущем может помочь обрести бессмертие и бороться с неизлечимыми на сегодняшний день болезнями.
Список литературы
2. Дмитриев А.С. Введение в нанотеплофизику. Изд. БИНОМ. Лаборатория знаний. М. 2014. 736 с.
3. Michael E. Et all. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047-1078.
Читайте также: