Jak wszyscy wiemy płynny azot, z którym już w moim portalu mieliśmy okazję kilkakrotnie się spotkać ma temperaturę bliską -196 ^oC. A czy byli byśmy w stanie jeszcze bardziej tę już i tak zimną ciecz ochłodzić ? i jeśli tak to co się z nią stanie ? Zobaczcie sami.

Odpowiedzi na zadane pytania możemy po części domyślać się z tytułu tej podstrony. Oczywiście płynny azot możemy schłodzić jeszcze kilka stopni poniżej jego temperatury wrzenia czyli ok. -196 ^oC. Dokonamy tego w bardzo prosty sposób obniżając ciśnienie powietrza nad powierzchnią ciekłego azotu w specjalnym termosie, który możemy zobaczyć poniżej.

Temperatura wrzenia każdej cieczy bardzo silnie zależy od panującego nad jej powierzchnią ciśnienia. Zagadnienie parowania i wrzenia bardzo dokładnie omówiłem Tutaj więc zapraszam zainteresowanych do przeczytania tego artykułu.

Aby cząsteczka cieczy mogła wyparować jej energia musi być większa niż średnia energia pozostałych cząstek, dodatkowo taka cząsteczka musi znajdować się przy powierzchni. Jednak w całej objętości cieczy znajdują się "mikroszczeliny" do których taka cząstka może wyparować. Jednak ciśnienie w takich szczelinach jest związane z ciśnieniem na powierzchni. Obniżając ciśnienie na powierzchni obniżamy także ciśnienie w tych mikroszczelinach i wyparowujące do nich cząsteczki powiększają je. Rozpoczyna się proces wrzenia i powiększające się "szczeliny" unoszą się ku powierzchni. Wiemy też, że jeśli cząsteczki z cieczy wyparowują zabierają ze sobą energię i w rezultacie temperatura cieczy obniża się.

Aby obniżyć ciśnienie nad powierzchnią ciekłego azotu zamówiłem sobie specjalny szklany termos bez srebrzenia w środku, by można było oglądać zachodzące zmiany. Drewniany statyw i przykrywkę z pleksy wykonałem w rekordowym czasie chyba dwóch godzin, śpieszyłem się trochę bo ciekły azot już czekał w metalowym "naczyniu dewara". Mój termos nie jest odpompowany na stałe, tzn. jego warstwa próżniowa połączona jest z zaworem i króćcem przez które należy wypompować powietrze. Na zdjęciu powyżej zamykam kranik bo odpompowanie zostało już wykonane a pompa będzie potrzebna do obniżenia ciśnienia w środku termosu.

Teraz z zasobnika ciekłego azotu nalewam ciecz do bardziej poręcznego styropianowego kubeczka. Będzie go łatwiej wlać do szklanego termosu.

Na tym zdjęciu ostrożnie nalewam ciekły azot do mojego termosu. Robię to oczywiście w goglach ochronnych, bo nie wiem czy naczynie nie pęknie w wyniku gwałtownego ochłodzenia, tym bardziej że na szkło ciśnienie atmosferyczne wywiera dużą siłę ze względu na obecność warstwy próżniowej.

Słuszna ilość LN₂ wylądowała już w termosie - jeszcze gwałtownie wrze ogrzewana ciepłymi ściankami naczynia.

Po chwili ścianki naczynia ochładzają się i ciecz się "uspakaja".

Górną część termosu zamykam wieczkiem z króćcem, do którego przyłączam pompę próżniową. Włączam pompę i ciśnienie nad powierzchnią "spokojnej" cieczy obniża się. Rozpoczyna się gwałtowne wrzenie, cząsteczki azotu parują odbierając ciepło (energię) pozostałej cieczy. Temperatura obniża się: -197, -199, -205 ^oC

Po osiągnięciu temperatury -210 ^oC widzimy, że z naszą cieczą coś zaczyna się dziać. Na jej powierzchni tworzy się warstewka lodu i od razu tonie w cieczy, rozpuszcza się a na powierzchni znów tworzy się trochę lodu.

Po chwili warstwa puszystego lodu rośnie ku górze, ilość cieczy zmniejsza się gwałtownie, niestety zewnętrzne ścianki termosu zaczynają pokrywać się parą wodną, trochę za słabo uszczelniłem zawór od warstwy próżniowej i zaczyna się ona zapowietrzać.

Po kilku sekundach już cała ciecz zamieniła się w puszysty śnieg. By dowiedzieć się co stało się w naszym termosie zaglądamy do książki stałych fizykochemicznych pierwiastków.

Otwieramy książkę pod literą A jak azot i sprawdzamy jego właściwości: temperatura wrzenia: znamy ją już -196 ^oC, ale jest tam jeszcze jedna ciekawa temperatura: temperatura krzepnięcia: -210 ^oC.

Okazało się, że musieliśmy ochłodzić nasz ciekły azot do tej właśnie temperatury, osiągnęliśmy -210 ^oC i azot zaczął krzepnąć. Z fazy ciekłej przeszedł w fazę stałą. Jak widzimy na zdjęciu powyżej już cała ciecz zmieniła stan skupienia.

Własnością azotu, która trochę dziwi jest mała różnica pomiędzy temperaturą wrzenia a temperaturą krzepnięcia. Jak wiemy woda wrze w temperaturze 100 ^oC a krzepnie w 0 ^oC różnica to całe 100 stopni. Azot natomiast wrze w -196 ^oC a krzepnie w -210 ^oC różnica to tylko 14 stopni. Dlaczego tak jest ?. W cząsteczce wody następuje przesunięcie elektronów w stronę atomu tlenu. Powoduje to, że atom tlenu ma pewien ładunek ujemny, a atomy wodoru odpowiadający mu ładunek dodatni. Ujemny ładunek atomu tlenu przyciąga dodatnio naładowane atomy wodoru sąsiedniej cząsteczki i pomiędzy nimi powstaje tak zwane wiązanie wodorowe. Dostatecznie silne i by je rozerwać potrzeba dostarczenia dużej ilości energii. W ciekłym azocie występują jedynie międzycząsteczkowe oddziaływania Wanderwalsa. Mają one charakter elektrostatyczny i do ich rozerwania potrzeba dużo mniejszej energii.

By odparować zakrzepniętą bryłę lodu potrzeba dostarczyć dużej ilości energii, natomiast do odparowania bryły zestalonego azotu wystarczy delikatne ogrzanie. Gdyby między cząsteczkami wody nie występowały wiązania wodorowe, życie na ziemi (jeśli mogło by w ogóle istnieć) wyglądało by zupełnie inaczej. Dzięki swej ogromnej pojemności energetycznej, woda pełni rolę termostatu naszej planety.