V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Азот, да не тот!
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
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.
«Что это за жидкость?» - полюбопытствовала я.
«Криогенное вещество – азот» - ответил факир, собирая свой реквизит для представления.
«Но ведь азот – это газ, а не жидкость! Из азота и кислорода состоит воздух, которым дышат все живые существа на нашей планете» - сказала я, поглядывая на это вещество.
«Азот – да не тот!» - улыбчиво ответил факир и, попрощавшись, ушел.
У меня в голове мгновенно возникли вопросы: что такое криогенное вещество, почему азот «не тот», какие у азота свойства, как его получают, для чего используют, опасен ли он? Но еще большим желанием стало получить ответы на все эти вопросы. Поэтому я решила изучить литературу об азоте, провести анкетирование знаний моих сверстников об этом веществе, а также провести эксперименты с жидким азотом в домашней лаборатории.
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%).
Азот — химический элемент с символом N и порядковым номером 7, с древне-греческого языка переводится как «безжизненный». Название связано отсутствием у него цвета, запаха и реакций с другими веществами [1].
Физические свойства азота. Это бесцветный газ, формула N2, не имеет запаха, цвета, вкуса, слабо растворим в воде, обладает плотностью 1,2506 кг/м3.
Однако азот бывает не только газообразным. При сгущении азот превращается в жидкость. Для получения 1 литра жидкого азота требуется 700 литров газа. Жидкий азот – криогенное вещество (с греческого языка «крио» означает холод, мороз), имеет температуру кипения ниже -120˚C. Он представляет собой бесцветную, прозрачную и подвижную жидкость, визуально похожую на воду, без вкуса и запаха. Жидкий азот не взрывоопасное и не ядовитое вещество, его температура минус 196°C. Его плотность 0,808 г/см³. При −209,86 оC азот переходит в твердое состояние, приобретая вид ярко-белых кристаллов больших размеров. При комнатной температуре жидкий азот быстро испаряется, переходя обратно в газ [2].
1.2. История открытия
В конце XVIII столетия сразу несколько ученых вплотную подошли к открытию нового химического элемента, свойства которого наукой еще не были изучены. Так, Генри Кавендиш в 1772 году осуществил следующий эксперимент: он неоднократно пропускал воздух над раскалённым углём, обработал уголь щелочным раствором и получил остаток неизвестного вещества. Химик назвал этот остаток «удушливым воздухом». Оказывается, Кавендиш получил азот – новый элемент, но догадаться об этом не смог. В том же году эксперименты по получению азота продолжил его друг – профессор Пристли. Он также многократно получал в ходе своих опытов газ, но ошибочно предполагал, что это кислород. Поэтому ни один из двух ученых первооткрывателями азота не считаются [1]. Параллельно с опытами Кавендиша и Пристли свои собственные эксперименты поставил в том же 1772 году Даниэль Резерфорд. Именно он в магистерской работе правильно описал основные свойства азота. В частности, то, что он не пригоден для дыхания, не вступает в реакцию со щелочами и не поддерживает процесс горения. Одновременно с ним французский химик Антуан Лавуазье в конце XVIII века впервые открыл и экспериментально установил, что азот не может поддерживать дыхание и горение, отсюда и дал название «безжизненный». Именно эти два ученых являются первооткрывателями азота.
1.3. Интересные факты о жидком азоте
Спутник Сатурна Титан представляет особый интерес для астрономов и геологов, так как у него есть много общего с Землей. Дело в том, что на поверхности Титана имеются озера и моря, только на Земле в морях плещется вода, а на Титане – жидкий азот. Недавно космический зонд «Кассини» обнаружил на Титане признаки волн. Космический зонд впервые констатировал, что в северной части Титана, где сейчас лето, начинают таять азотные ледники и образуются огромные моря и озера, по которым движутся волны.
В некоторых фантастических фильмах распространен сюжет о заморозке жидким азотом живых существ, чтобы сохранить их для следующих поколений. Этот сюжет имеет под собой научное обоснование. Существует раздел медицины, называемый крионикой — это технология сохранения в состоянии криоконсервации (глубокого охлаждения) людей и животных в надежде на то, что в будущем их удастся оживить или вылечить. Сейчас ведутся интенсивные исследования по замораживанию отдельных органов человека, и ожидается, что в течение 20 лет будут разработаны перспективные методы, позволяющие безопасно замораживать и оживлять целый мозг. Существует открытое письмо в поддержку крионики, которое подписало более 70 учёных мира. В этом письме говорится, что крионика законна и научно обоснованна, ее цель – сохранить людей (особенно человеческий мозг) с помощью наилучших доступных технологий, и существует заслуживающая доверия вероятность, что с помощью технологий будущего возможна реанимация крионированных людей. Крионика сейчас не пользуется высокой популярностью возможно из-за дороговизны метода, а также в силу противоречия общепринятым в обществе традициям погребения. Несмотря на это, количество клиентов криофирм постепенно увеличивается. В мире существует несколько крионических фирм, три в Америке («Alcor», «ТрансТайм», «Институт Крионики») и одна в Китае «Yinfeng Life Science Foundation». В России в 2006 году была организована фирма «КриоРус». Самый первый криопациент таких фирм – американский профессор Джеймс Бэдфорд, который хранится уже почти 50 лет без каких-либо признаков изменения. Клиентами криофирм по всему миру стало более 2000 человек. По данным компании «КриоРус» на 13 сентября 2017 года в Российской Федерации крионирован 55 человек и 21 животное. Среди пациентов компании «КриоРус» числятся известные деятели эстрады, учителя, врачи и т.д.[4].
1.4. Производство и хранение жидкого азота
Добыча жидкого азота – производство не опасное, в промышленности его получают из воздуха. Для этого воздух сначала охлаждают, затем сжижают. При охлаждении до -196°С азот превращается в жидкость. Температура кипения азота ниже, чем у кислорода. Поэтому при нагревании жидкого воздуха азот начинает испаряться первым. Данное свойство лежит в основе современного принципа производства химического продукта. Метод начали использовать с 1970 года. Автотранспортом жидкий азот перевозят в специальных криогенных сосудах или цистернах. Потребителям доставляют газообразный азот в черных баллонах с желтой надписью «азот».
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.
В пищевой промышленности азот в жидком состоянии используется как охлаждающий и замораживающий элемент. В кулинарии с помощью жидкого азота можно очень быстро и красиво сделать мороженое и охлажденные молочные коктейли. Впервые приготовление мороженого с помощью жидкого азота было придумано еще в 1987 году. Придумали мороженое с использованием азота в компании «Dippin’ Dots». Оно называлось «Мороженым будущего». Современная индустрия производства мороженого ушла далеко вперед. Но азотное мороженое до сих пор кажется чем-то необычным [3].
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.
Довольно часто жидкий азот используется в сфере фокусов, кинотрюков и создания эффектных «криошоу».
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.
Эксперимент № 1
Я взяла пластиковый стакан и налила в него жидкий азот. Поднесла стакан к носу на расстоянии 10 см, чтобы почувствовать запах. Но, не уловив его, сделала вывод, что это вещество без запаха. Затем вылила из стакана некоторое количество вещества на полированную деревянную поверхность стола. Капли были довольно красивыми и блестели из-за преломления света. Я заметила «необычное» поведение капель – они не испарялись мгновенно, а долго бегали, хаотически перемещаясь по поверхности. При этом сами капли напоминали блестящие шарики. Такое поведение капель жидкого азота объясняется наличием упругой паровой подушки, которая образуется между каплей и поверхностью стола. (рисунок № 2).
Рисунок № 2.
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.
Эксперимент № 2
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.
Рисунок №4.
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.
Рисунок № 5.
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.
Эксперимент № 3
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).
Рисунок №6
Эксперимент № 4
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).
Рисунок № 7
Эксперимент № 5
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.
Рисунок №8
Эксперимент № 6
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).
Рисунок № 9
Эксперимент № 7
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).
Рисунок № 10.
Многие из нас слышали такие фразы, как «тянуть резину», «автобус не резиновый» и т.п. Но резина бывает упругой не всегда: при охлаждении до низких температур резина теряет свою упругость и становится хрупкой.
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.
Эксперимент № 8
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:
1. «Как вы думаете, опасен ли жидкий азот для человека?»;
3. «Возможно ли моментально замерзнуть, приняв внутрь жидкий азот?»
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).
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 0С), благодаря эффекту Лейденфроста, можно держать капельку жидкого азота на ладони и опускать в него руки на несколько секунд, что я подтвердила, проведя эксперимент № 2.
Рисунок № 12
Отвечая на третий вопрос: «Возможно ли моментально замерзнуть, приняв внутрь жидкий азот?» большинство моих сверстников 45 (93%) ответили утвердительно, а всего 3 (7%) человека ответили отрицательно на этот вопрос (рисунок № 12).
В сюжете некоторых фантастических фильмов прием героем внутрь жидкого азота сопровождается его моментальной заморозкой. Но на самом деле это далеко от истины. Выпив жидкий азот, моментально замерзнуть не получится, поскольку он сразу перейдет в газообразное состояние. Переход азота из жидкой формы в газообразную я доказала, продемонстрировав эксперимент №4 с надуванием воздушного шарика. Поскольку один литр жидкого азота при испарении образует 700 литров газообразного азота, то логично предположить, что человек скорее «лопнет», чем замерзнет. Поэтому жидкий азот ни в коем случае нельзя пить!
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
1. Гусакова Н. В., Химия окружающей среды. Серия «Высшее образование». Ростов-на-Дону: Феникс, 2004 ISBN 5-222-05386-5;
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.
Интернет-источники:
4. http://kriorus.ru