Kapalné plyny
27. 2. 2008
Vzduch, který dýcháme, se účastní spalování tuků a cukrů v našich buňkách. Vzduch je směsí zhruba 80 % dusíku a 20 % kyslíku. Jak se však změní vlastnosti těchto plynů, které jsou tak důležité pro náš život, když je zkapalníme? V tomto Michaelově experimentu prozkoumáme neobyčejné vlastnosti kapalného vzduchu a odhalíme některé z jejich skrytých molekulárních tajemství.
Michael: Jestli se nadechneš v Čechách, v Anglii nebo v Austrálii anebo kdekoliv na světě, složení vzduchu je skoro úplně stejné. Mluvíme o dvou hlavních složkách – dusíku a kyslíku.
Tereza: Dusík je v běžných podmínkách inertní plyn bez barvy, chuti a zápachu. Tvoří 78 % naší atmosféry.
Michael: The triple bond in molecular nitrogen is one of the strongest in nature. Only the immence power of lightening and certain strains of bacteria called diazotrophs and azotobacter can change nitrogen gas into other nitrogen-containing compounds. Nitrogen passes majestically all around us. Proud and satisfied, it has no need to react with the substances it comes into contact with.
Trojná vazba v molekule dusíku je jednou z nejsilnějších v přírodě. Jedině ohromná síla blesku a také určité kmeny bakterií zvané diazotrofní, mezi něž patří rod Azotobacter, dokážou plynný dusík změnit na jiné sloučeniny, obsahující dusík. Dusík nás majestátně míjí, pyšný a spokojený, protože nemá žádnou potřebu reagovat s látkami, s nimiž přichází do kontaktu.
Kyslík je vysoce reaktivní nekovový prvek, který vytváří sloučeniny s téměř všemi prvky periodické soustavy. Při běžné teplotě a běžném tlaku je to plyn bez barvy, chuti a zápachu. Označujeme jej O2.
Kyslík je po vodíku a heliu třetím nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Svou hmotností je nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře. Kyslík tvoří téměř 89 procent hmotnosti pozemské vody a 21 procent objemu vzduchu.
Potuluje se naší atmosférou jako hladový vlk, který neúnavně hledá něco, s čím by mohl reagovat, co by mohl okysličit, zoxidovat. Má rád především suché organické látky. Hoření je reakce papíru nebo jiného paliva s kyslíkem ze vzduchu.
Michael: Je to směs vznešeného dusíku a agresivního, reaktivního kyslíku, která představuje vzduch.
Tereza: Když fouká vítr, tak ten vzduchu cítím. Ale nemůžu ho vidět ani chytit.
Michael: That is because the density of the air around us is only about 1 gram per litre. That´s 1.5 grams of air in this bottle. If we wanted to see air we would need for it to be about 800 times denser.
Je to proto, že hustota vzduchu kolem nás jen pouhý jeden gram na litr. To je 1,5 gramu vzduchu v této láhvi. Pokud bychom chtěli vzduch vidět, musel by být asi 800krát hustší.
Tereza: Ale já bych ten vzduchu chtěla vidět. Je to možné?
Michael: Chceš vidět dusík a kyslík?
Tereza: Ano.
Michael: Chcete taky? Dobře, pojďte za mnou.
Tereza: Počkej na mě!
Michael: A jsme tady.
Tereza: Jdeme na to.
Michael: By compressing air at room temperature and then removing the heat generated by that compression and subsequently allowing the air to expand we can condense liquid nitrogen. And here is what it looks like …
Když stlačíme vzduch při pokojové teplotě a pak mu odebereme teplo, které stlačením vznikne, a následně zase tento vzduch necháme rozpínat, získáme kapalný dusík. A takhle vypadá.
Tereza: Teplota tekutého dusíku je – 196 °C.
Michael: To je dámy a pánové, zima. Ale opravdu zima, krutá zima.
About as cold as a surface temperature on the planet Neptune on a summer’s day!
Asi taková zima jako je povrchová teplota na planetě Neptun během tamního letního dne.
Michael: Nitrogen is boiling all the time, because the air around us is 200 degrees warmer than its boiling point. If I therefore put some liquid nitrogen in some hot water, - the hot water is about 300 degrees warmer than liquid nitrogen – see, what happens.
Dusík se stále vaří, protože vzduch kolem nás je o 200 stupňů teplejší, než bod varu dusíku. Když dám trochu kapalného dusíku do trošky horké vody – a horká voda je asi o 300 stupňů teplejší, než kapalný dusík – sledujete, co se stane.
Tereza: Bílý kouř, který vidíme, je voda z okolního vzduchu, která kondenzuje na studených parách dusíku. Tento efekt známe jako divadelní nebo filmovou mlhu.
Michael: Kapalný dusík je 800krát hustší než plynný.
Therefore just a few drops of nitrogen into these flasks. The nitrogen will begin to boil and expand and inflate the balloons. Jen se podívejte.
A tak jen pár kapek dusíku do těchto baněk. Dusík se začne vařit a rozpínat a nafukuje balónky.
Tereza: Extrémně nízká teplota kapalného dusíku může měnit fyzikální vlastnosti některých předmětů.
Michael: Začneme s gumovou hadičkou. Podívejte se.
The tubing is very flexible and bandy. However – if I put it in a liquid nitrogen, can you see, how the nitrogen is beginning to boil with the extra vigour?
Hadička je velice ohebná a prohnutá. Když ji však vložím do kapalného dusíku, vidíte, jak prudce se dusík začne vařit?
Guma v dusíku ztvrdla a zároveň zkřehla. Dá se rozbít na kousky. Podobně se měkký banán změní na kladívko. I on se dá rozbít na kousky. Pomeranče jsou z 80 procent tvořeny z vody. Proto jsou takové měkké. V dusíku voda z pomeranče zmrzne …
Michael: … transforming the soft orange into an object as brittle as glass.
… a přemění měkký pomeranč na předmět křehký jako sklo.
Tereza: V podstatě každý předmět s obsahem vody, který je měkký a pružný, se stane tvrdým a křehkým, pokud jej ponoříte do tekutého dusíku.
Michael: A tady to máme – kapalný kyslík.
Tereza: Má – 183 °C a světle modrou barvu. A je extrémně nebezpečný.
Michael: Its blue colour is due to its electronic structure, which absorbs red, orange and green wavelengths, but reflects blue wavelengths, giving it its appearance.
Jeho modrá barva souvisí s jeho elektronovou stavbou, která pohlcuje červené, oranžové a zelené vlnové délky, ale odráží modré vlnové délky, což kyslíku dává jeho vzhled.
Michael: Kyslík, … dusík. Kyslík, … dusík …
Filip: Kapalný kyslík je paramagnetická látka. Silný magnet přitáhne kapičku kyslíku k sobě.
Tereza: A ještě jedna ukázka prudké reaktivity kyslíku a jeho schopnosti podporovat spalování. Takto hoří cigareta, namočená v kapalném kyslíku.
Tereza: Varování pro náruživé kuřáky.
Michael: Nekuřte v atmosféře kyslíku.
Michael: Dusík a kyslík!
Autor: Vladimír Kunz