Experimente

1. Luftballons

Die Luftballons so weit aufblasen, dass sie gerade noch durch die Öffnung des Dewar-Gefäßes passen. (Daher möglichst kein Enghals-Gefäß verwenden.) Die Ballons an Bindfäden festbinden und vor Beginn des Versuchs in das Dewar-Gefäß mit flüssigem N2 eintauchen. Dann zieht man vor den Schülerinnen und Schülern die Luftballons an den Bindfäden aus dem Gefäß heraus und beobachtet, wie sie sich von selbst aufblähen.

2. Isolationswirkung von Styropor (oder Schaumstoff)

Flüssiger N2 wird in zwei gleiche Bechergläser gegossen. Zum Vergleich stellt man eines auf eine Styropor-Unterlage und das andere auf Metall oder Stein bzw. Keramikkacheln. Beobachtung: Der flüssige N2 siedet unterschiedlich heftig. Auf vermeintlich kaltem Stein oder Metall siedet er deutlich heftiger ab als auf sich warm anfühlendem Styropor.

3. Gefrorenes Benzin

Ein Reagenzglas wird mit ca. 2 ml Benzin gefüllt und für 1-2 min in ein Becherglas mit flüssigem N₂ gestellt. Das Benzin gefriert.

4. „Eierschalen“ aus einem Tischtennisball

In das Becherglas taucht man mit einem Holzstab einen Tischtennisball ein. Man entnimmt ihn mit Handschuhen, wenn der flüssige N₂ aufhört, heftig zu sieden, und schmettert ihn mit Wucht gegen eine Wand. Da die Luft im Tischtennisball flüssig wird, entsteht ein Unterdruck, so dass der Ball beim Aufprall implodiert.

5. Trockeneis

In ein hohes enges Becherglas oder in ein 1,5 l Dewar-Gefäß mit flüssigem N₂ lässt man möglichst weit ein an einem Stativ befestigtes Reagenzglas eintauchen, in das man langsam CO₂ aus der Gasflasche einleitet. Nach 2-3 min ist genügend Trockeneis entstanden, um es deutlich erkennen zu können. Nach wenigen Minuten an der Luft fällt das Trockeneis beim Umdrehen aus dem Reagenzglas.

6. Flüssiger Sauerstoff

Da O₂ ca. 13°C höher siedet als N₂, lässt sich O₂ mit flüssigem N₂ verflüssigen.

Aufbau: In ein bis zu Rand mit flüssigem N₂ gefülltes 1,5 l Dewar-Gefäß lässt man möglichst tief ein in ein Stativ eingespanntes Reagenzglas eintauchen, so dass eine Kühlfalle entsteht. Hat man ca. 5 min lang O₂ aus der Gasflasche langsam, d.h. bei schwachem Gasstrom in das Reagenzglas in der Kühlfalle eingeleitet, so ist in der Regel genug Sauerstoff verflüssigt worden. (Es sollten mindestens 4-5 ml sein.) Man entnehme das Reagenzglas, und zeige die blaue Farbe des flüssigen Sauerstoffs. Anschließend taucht man eine brennende Kerze auf einem Verbrennungslöffel in das Reagenzglas ein (Schutzscheibe, Schutzbrille). Da der Sauerstoff im Reagenzglas absiedet, bildet sich über der Flüssigkeit eine reine Sauerstoffatmosphäre, in der die Kerze sehr heftig abbrennt.

7. Banane als Hammer

In ein 5 l Dewar-Gefäß mit flüssigem N₂ wird eine an einem Bindfaden festgebundene Banane ganz eingetaucht. Nach 5 min ist sie tiefgefroren. Sicherheitshalber sollte man die Banane jedoch ca. 15 min einfrieren. Mit ihr lässt sich ein Nagel in weiches Fichten-, Linden- oder Balsaholz schlagen. Man kann sich sogar auf die Banane stellen. Sie lässt sich nach dem Auftauen noch gut verzehren.

8. Blumensplitter (Nelken eignen sich am besten)

Eine Nelke wird für ca. 1 min in flüssigen N₂ getaucht und danach sofort gegen eine Wand oder auf dem Tisch zerschlagen.

9. Gummisplitter, Scherben aus Gummi

Ein Stück Gummischlauch wird für 1-2 min in flüssigen N₂ eingetaucht. Achtung: Anfänglich kann etwas flüssiger Stickstoff aus dem Schlauchende heraus kochen. Man kann den tiefgefrorenen Schlauch zu Boden schleudern, so dass er in viele Scherben zerspringt, oder ihn auch mit einer Zange zerbrechen.

10. Disko-Nebel

In eine Plastikwanne mit kochend heißem Wasser schüttet man nach und nach wenige Tropfen fl. N₂. Der N₂ verdampft sofort, wobei er sehr viel Wasserdampf mitreißt. Dadurch entsteht ein wolkenartiger Nebel. Ferner kann Nebel leicht erzeugt werden, indem man wenige Milliliter fl. N₂ in eine mit Mineralwasser gefüllte Flasche gibt. Das schlagartige Verdampfen des Stickstoffs im Wasser und das zusätzlich enthaltene CO₂ reißen kleinste Wassertröpfchen mit.

11. Explodierende Watte

Man überstäubt Watte mit etwas Kohlenstoffpulver, kühlt sie mit flüssigem N₂ vor und übergießt sie dann mit flüssigem O₂ (Herstellung: siehe Versuch: Flüssiger Sauerstoff). Anschließend wird die Watte mit einem brennenden Holzspan gezündet (Schutzscheibe).

12. Mennige

Verschiedene Stoffe verlieren in extremer Kälte ihre Farbintensität. So beobachtet man bei Mennige eine sehr starke Aufhellung bis hin zu einer blassgelben Farbe. Am einfachsten füllt man etwas Mennige in ein Reagenzglas und kühlt dieses in flüssigem N₂ einige Minuten ab. Ähnliche Effekte sind auch zu beobachten bei Schwefel und HgJ₂.

13. Klingendes Blei

Bekanntlich ist Blei im Gegensatz zu den meisten anderen Metallen extrem weich und schwingt daher beim Anschlagen nicht. Kühlt man jedoch ein Stück Bleifolie oder -blech (noch schöner ist eine Glocke aus Blei) 5-10 min in flüssigem N₂ ab, so wird das Metall deutlich spröder und zeigt beim Anschlagen einen hellen Klang.

14. Raketenantrieb

Vorbereitende Arbeiten: Auf einem leicht rollenden Spielzeugauto befestigt man mit Klebeband oder einem Gummiring eine Metall- bzw. Kunststoffhülse, in welche eine Zigarette oder Zigarre genau hinein passt. Die Hülse muss in Fahrtrichtung geschlossen sein, ist also nur nach hinten geöffnet. Falls man mit einer Kunststoffhülse arbeitet, sollte man sich vergewissern, dass es sich um schwer entflammbares Material handelt. Meist muss die Kunststoffhülse im Gegensatz zur Metallhülse nach ein- bis zweimaliger Benutzung ersetzt werden. Zunächst stellt man sich in einem Reagenzglas flüssigen O₂ her (Herstellung: siehe Versuch: Flüssiger Sauerstoff). Anschließend taucht man eine Zigarette (deren Filter man zuvor abgebrochen hat) oder eine Zigarre in den flüssigen Sauerstoff, so dass sie sich damit voll saugt. Nun entnimmt man die Zigarette mit einer Tiegelzange und steckt sie von hinten in die auf dem Spielzeugauto angebrachte Hülse. (Vorsicht: Die Zigarette ist nun relativ leicht brüchig.) Steckt die Zigarette fest in der Hülse, so entzündet man sie mit einem brennenden Span. Durch den Rückstoß wird das Spielzeugauto vorwärts getrieben. (Es klappt wirklich!) Es muss vor dem Versuch sichergestellt werden, dass die Zigarette/Zigarre einigermaßen fest in der Hülse sitzt, da sie sonst beim Abbrennen herausgeschleudert werden kann. Eventuell klemmt man sie mit Streichhölzern in der Hülse fest. Dies muss jedoch schnell geschehen, da sonst der flüssige Sauerstoff verdampft.

15. Tanzendes Feuer

Je nach den Gegebenheiten leitet man das am Ort vorhandene Brenngas (meist Methan, Propan oder Butan) direkt aus der Gasleitung in eine Kühlfalle aus flüssigem N₂, so dass das Gas kondensiert. Man achte auf einen nicht zu heftigen Gasstrom, da sonst zu viele Verwirbelungen entstehen und die Kondensation nur sehr schlecht gelingt. Wenn 3-4 ml Gas kondensiert sind, stoppt man die Gaszufuhr, nimmt das Reagenzglas aus der Kühlfalle und spannt es schräg in ein Stativ. Nun entzündet man das mittlerweile kochende Gas an der Reagenzglasöffnung. (Vorsicht: Verpuffungsgefahr!) Erwärmt man das flüssige Brenngas im Reagenzglas, z.B. indem man es kurz mit der Hand umfasst, so beschleunigt sich der Verdampfungsprozess enorm und die Flamme wird entsprechend höher. Besonders eindrucksvoll ist es, wenn man den Versuch in einem abdunkelten Raum durchführt. Zu "tanzen" beginnt das Feuer, wenn man das Stativ kurz vorsichtig kippt, so dass das Brenngas in kleinen Schüben auf die feuerfeste Arbeitsplatte läuft. Die Flüssigkeit brennt im Fallen.

16. Supraleiter

Vorbemerkung: Dieser Versuch ist im Vergleich zu den vorangehenden relativ aufwendig, eignet sich jedoch durchaus zum Einsatz im Oberstufenunterricht. Er ist entnommen: Roesky, H.W., Möckel, K.; Chemische Kabinettstücke, VCH, Weinheim 1996, S. 214f. Es sind einige zusätzliche spezielle Chemikalien und Geräte notwendig: Overhead-Projektor, Kunststoffpinzette, Plastikbecher, Mörser, Magnesia- od. Korundschiffchen, Brennofen mit Thermostat, "Reaktionsgemisch Supraleiter" (Y2O3, BaCO₃, CuO) (Leybold-Kat.-Nr. 661 108) Pellet-Presse und Spezialmagnet von Leybold-Didactic GmbH (Leyboldstr. 1, 50354 Huerth, Tel. 02233/6040, eMail: info@leybold-didactic.de). Die Firma Leybold-Didactic bietet übrigens auch ein komplettes Experimentierset zur Herstellung eines Supraleiters an. Man mörsert das Reaktionsgemisch und erhitzt es in einem Brennofen in einem Korund- oder Magnesiaschiffchen für 12 Std. auf genau 950 °C (Temperatur kontrollieren). Man lässt das Gemisch auf Raumtemperatur abkühlen, mörsert es erneut und presst es nun in der Presse zu einem Pellet bzw. einer kleinen Tablette. Die Tablette wird dann unter einer Sauerstoffatmosphäre wieder für 12 Std. auf 950 °C erhitzt. Danach kühlt man immer noch unter Sauerstoff langsam (100 °C/Std.) auf Raumtemperatur ab. Das fertige Supraleiter-Pellet wird nun in flüssigem N₂ tiefgekühlt. Unterdessen stellt man den Plastikbecher mit der Öffnung nach unten so in den Strahlengang des Projektors, dass der Schattenumriss des Bechers an die Wand geworfen wird. Man legt das Pellet auf den Becherboden und plaziert den Magneten mit der nicht magnetischen Kunststoffpinzette über dem Pellet. Ist die Sprungtemperatur des Supraleiters unterschritten, so schwebt der Magnet (in der Schattenprojektion besonders gut sichtbar) über dem Pellet. Es ist wichtig, das Pellet immer wieder mit flüssigem Stickstoff zu übergießen, da bei Überschreitung der Sprungtemperatur der Magnet auf das Pellet fällt.