Experimente mit flüssigem Stickstoff und Trockeneis¶

Auf/zu:

Sicherheit
Trockeneis gegen die Haut gedrückt erzeugt Brandblasen. Schutzbrille tragen.

Trockeneis und flüssigen Stickstoff nicht in einem geschlossenen Gefäss, erzeugt einen gefährlichen Druck

A. Trockeneis¶

Versuch 1: Kohlendioxid weist hohe Dichte auf¶

Riesiges Becherglas, breite Form
Kerzen mit Feuerzeug
Seifenblasen-Döschen Pustefix
Optional Balkenwaage mit zwei Eimern

a) Möglichst riesiges Becherglas, unten etwas feines Trockeneis einfüllen, dann kleine gefüllte Balone oder Seifenblasen hineingeben: sie schweben in der Mitte des Gefässes. b) In einem Glastank Kerzen unterschiedliecher Höhe anzünden, dann etwas Trockeneis auf den Boden geben, eine Kerze nach der anderen löscht aus. c) Ausbalancierte Balkenwaage mit zwei Eimern, in einen Eimer CO2-Gas füllen.

Versuch 2: Kohlenstoffdioxid-Kissenboot¶

Pfannendeckel oder Gong
Nimm vorsichtig ein Stück Trockeneis CO2 (s) aus dem Dewar-Gefäss. CO2 (s) sublimiert bei -78°C, die Raumtemperatur ist 20°C: Wieso verwandelt sich das Trockeneis nicht schlagartig in CO2 (g), wieso bleibt das Trockeneis ständig auf -78°C?
Lege das Trockeneis-Stück auf eine glatte Tischfläche und gib ihm einen Schubs. Du beobachtest das Leidenfrostsche Phänomen. J. H. Leidenfrost (1715-1794) beobachte es ursprünglich bei Wassertropfen auf heissen (Herd-) Platten. Wieso gibt das Stück Trockeneis (-78°C!) auf der Hand keinen Frostschaden?
Trockeneis auf Pfannendeckel oder gegen Gong drücken, gibt bei gewissen Deckeln lautes Geräusch. Durch das sublimierende Gas hämmert das Stück gegen den Gong und erzeugt unangenehmen Klang. Wenn es gegen den Gong gedrückt wird, erwärmt sich das Trockeneis und sublimiert schneller, dadurch wird das Trockeneis weggedrückt von der Oberläche, dadurch verlangsamt sich die Wärmezufuhr und damit auch die Sublimation, so dass das Stück wieder näher an die Oberfläche kommt usw, daher die Schwingungen.

Versuch 3: Trockeneis und Wasser¶

Becherglas 100 mL
Wasserkocher
Reagenzglas
Pustefix
Pustefix
Gaswaschflasche mit Seifenblasentrichter an der einen Öffnung
Gummistopfen passend auf andere Öffnung der Gaswaschflasche (Öffnung am Steigrohr)

Vorgehen¶

Gib ein haselnussgrosses Stück Trockeneis in ein mit Wasser gefülltes 100mL Becherglas. Was passiert auf der Oberfläche des Trockeneises? Woraus bestehen die weissen Schwaden? Wie entstehen sie? Gib später noch etwas Spülmittel oder andere Seife dazu.
Gib etwas Trockeneis in kochendes Wasser. Was macht den Unterschied zum kalten Wasser?
Fülle ein Reagenzglas etwa 2cm hoch mit Trockeneis und stelle es in ein Becherglas mit Wasser. Was ist anders als beim ersten Punkt, wo das Trockeneis direkt ins Wasser kam?
Saugflasche mit warmem Wasser Füllen, Trockeneis zugeben, grosse Öffnung mit Gummistopfen abdichten, an kleine Öffnung Seifenblasentrichter. Erzeuge Seifenblasen.

Versuch 4: Trockeneis im Ballon¶

Ballon
flaches Becken mit warmem Wasser

Fülle etwas Trockeneis in einen Ballon, verschliesse und tauche ihn in warmes Wasser. Beobachte und Interpretiere.

Versuch 5: Wirkung von CO2 auf den Körper¶

Nimm mit der Nase einen tüchtigen Atemzug an der Öffnung des Trockeneis-Dewars. Was spürst Du? Was ist passiert? Erinnert Dich die Empfindung an etwas?

Versuch 6: Trockeneis-Aperitiv¶

Schweppes oder sonstiges Indian Tonic
UV-Lampen
Transparente Plastic-Apero-Becher

Getränke mit einem Stück Trockeneis versetzen und trinken lassen. Sicher stellen, dass niemand das Trockeneis verschluckt. Nimmt man als Getränk Schweppes oder ein anderes Chinin enthaltendes Getränk (Tonic Water), und trinkt in einem abgedunkelten Raum mit Schwarzlichtlampen: sehr effektvoll.

Versuch 7: Trockeneis-Ballern¶

Filmdöschen oder Pillengläschen
Pillengläschen mit wenig Wasser füllen
Trockeneisstück hineingeben
Deckel aufsetzen
keinesfalls das Pillengläschen umgekehrt auf den Deckel stellen, sonst fliegen Splittergeschosse herum. Mit Filmdöschen darf man das machen. Niemand darf innerhalb von 2 m in der Schusslinie stehen.

Versuch 8: Brennt Kohlenstoffdioxid?¶

Hohes Becherglas
Verbrennungslöffel
Kerze mit Feuerzeug

Lege etwas Trockeneis in ein hohes Becherglas. Versuche das Kohlenstoffdioxid mit einer brennenden Kerze auf einem Ver¬brennungs¬löffel anzuzünden. Beobachte und Interpretiere.

Versuch 9: Trockeneis herstellen und aufbewahren:¶

Aufsatz auf CO2-Flasche zur Herstellung von Trockeneis

Kohlenstoffdioxid CO2 existiert bei Normdruck nur als Festkörper oder Gas. Erst bei 55.7bar Druck wird CO2 flüssig und kann in Gasflaschen gefüllt werden. Wird das Ventil der aufrecht stehenden Gasflasche geöffnet, entweicht Kohlenstoffdioxidgas. Die Gasflasche kühlt sich ab, wenn das flüssige CO2 (l) in der Bombe endotherm verdampft. Wird die Gasflasche nach unten entleert, läuft flüssiges Kohlenstoff¬dioxid aus. Ein Teil davon verdampft endotherm und braucht Wärme, der andere Teil gibt diese Wärme ab und erstarrt dabei exotherm zu Kohlensäureschnee CO2 (s). Zusammengepresst entsteht daraus Trockeneis CO2 (s). Trockeneis hat ein Molekül-Kristallgitter wie andere feste Molekularstoffe, z. B. Eis H2O (s). Trockeneis CO2 (s) subli-miert unter Normdruck bei -78°C direkt zu gasförmigem CO2 (g). Das Trockeneis für unsere Versuche wurde von der Firma Carbagaz (Liebefeld) hergestellt und per Express versandt. Trockeneis wird in isolierten Dewar-Gefässen aufbewahrt. Sir James Dewar (1842-1923), ein Energie-sparsamer schottischer Physiker und Chemiker entwickelte sie und verflüssigte darin Fluor bei 188°C und Wasserstoff bei 253°C. Diese Gefässe isolieren sehr gut, sie verhindern also die Wärmeleitung. Die Thermosflasche ist ein einfaches Dewar-Gefäss.

Versuch 10: Säure/Base-Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid¶

3 Bechergläser 600 mL
Natronlauge 0.1 M mit Socorex 5 mL
Bromthymolblau-Indikatorlösung
weitere Indikatoren

Gib in ein 600 ml Becherglas 300 ml entmineralisiertes Wasser, 5 ml Natronlauge NaOH (aq) 0.1 M und Bromthymolblau-Lösung (und andere Indikatoren), bis der Inhalt des Becherglases satt gefärbt erscheint. Gib etwa eine haselnussgrosse Menge Trockeneis dazu und nimm Dir Zeit zum Beobachten. Für Demo-Experiment: viele verschiedene Indikatoren, hohe Bechergläser oder Standzylinder, genug Trockeneis verwenden.

Versuch 11: Kohlenstoffdioxid und Calciumhydroxid-Lösung Ca(OH)2 (aq)¶

Becherglas 250 mL
Gesättigte Calciumhydroxidlösung

Fülle ein 250mL-Becherglas mit etwa 200mL Calciumhydroxid-Lösung Ca(OH)2 (aq). Gib ein haselnussgrosses Stück Trockeneis dazu.

Beobachtungen und Erklärungen¶

Zuerst trübt ein fein verteilter Niederschlag (Symbol ) von Kalk CaCO3 (s) die Lösung.
Das CO2 reagiert mit den Hydroxidionen OH-, gibt das Carbonat-Anion CO32-, das sich im Kalk mit Ca2+ verbindet. Reaktionsgleichung: CO2 (g) + Ca(OH)2 (aq)  CaCO3 (s)  + H2O
Später löst sich die Trübung wieder. Überschüssiges CO2 (aq) bildet Kohlensäure H2CO3 (aq) nach der Reaktionsgleichung: H2O (l) + CO2 (aq)  H2CO3 (aq). Kohlensäure löst wie auch andere Säuren den Kalk auf. Reaktionsgleichung: H2CO3 (aq) + CaCO3 (s)  Ca(HCO3)2 (aq)
Die beobachtete Trübung von Calciumhydroxid-Lösung dient als Nachweis von CO2. Noch schneller trübt sich (die giftige) Bariumhydroxid-Lösung Ba(OH)2 (aq) und der Bariumcarbonat-Niederschlag BaCO3 (s) wird von Säuren nicht mehr aufgelöst.

Versuch 12: Kältebad¶

Brennsprit
Thermometer für tiefe Temperaturne

• Fülle ein Dewar-Gefäss zur Hälfte mit Ethanol aus der Brennsprit¬flasche. Stelle ein Kältethermometer in den Alkohol. Wirf nun vorsichtig immer wieder kleine Trockeneisstücke in die Flüssigkeit, bis das Gefäss zu drei Vierteln voll ist. Die "Suppe" darf nicht "überkochen". Welches ist die tiefstmögliche Temperatur?

Versuch 13: Stoffe im Kältebad¶

Gummischlauch
Hammer
Ziegelstein
Apfelstücke

Führe langsam ein Stück alten Gummischlauchs in das Kältebad ein, ohne dass der Inhalt überfliesst. Nimm nach etwa 5 min den Gummi aus dem Topf und zerschlage ihn sofort in der Kapelle mit dem Hammer auf einem Ziegelstein (Schutzbrille!). Mach dasselbe mit Apfelstücken. Räume die Überreste möglichst schnell weg (aufgetaut gibt es eine Sauerei) und gib sie in den Kehricht.

Versuch 14: Seifenblase gefrieren und Diffusion durch eine semipermeable Seifenmembran¶

Becherglas 2L, breite Form
Pustefix-Flasche zur ERzeugung von Seifenblasen
Erlenmeierkolben 150 mL, breiter Hals
Bedecke den Boden eines hohen 2L-Becherglases mit Trockeneis. Bringe an einem Ring haftende Seifenblase in das Becherglas. Wird sie grösser oder kleiner Erkläre!
Stelle einen Erlenmeyerkolben, dessen Öffnung mit einer Seifenmembran verschlosssen ist, in das Becherglas mit Trockeneis.

Versuch 15: Explodierende PET-Flasche¶

Hohe Pfanne mit heissem Wasser
Petflasche mit robustem Deckel
Gehörschutz
Schutzbrille
Feuerdecke zum "Entschärfen der Bombe", falls sie nicht hochgeht.

Vorsicht: Arbeiten nur mit Gartenhandschuhen, Brille, Mantel Eine PET-Flasche mit dickem Deckel wird zu ca. 1/4 mit Ethanol und zu 1/3 mit Trockeneis gefüllt, schnell vollständig zugeschraubt und in einen stabilen Behälter mit warmem Wasser gegeben. Die Flasche bläht sich auf und explodiert schliesslich. Es kann allerdings sehr lange gehen, bis die Flasche explodiert (vielleicht 15 Minuten). Wenn der Verschluss zuwenig robust ist, dann der Überdruck allerdings entweichen und die Flasche explodiert überhaupt nicht, was man nicht merkt. Man sollte einen Ort wählen, der kein Durchgang ist, und die Möglichkeit haben, zu schauen, ob die Flasche aufgebläht ist oder nicht. I Vorsicht: harte, scharfe gefährliche Kunststoffteile fliegen herum, man darf sich keinesfalls in die Schusslinie der aufgeblähten PET-Flasche aufhalten: Grosser Abstand, nicht in die Hände nehmen. Falls die Flasche nicht explodiert, muss gewartet werden, bis alles CO2 sublimiert ist, bevor man sich der Flasche annähert.

B. Flüssiger Stickstoff (Sauerstoff)¶

Versuch 1: Stickstoff-Fontäne¶

Grosser Erlenmeyer
mit eingepasstem Stopfen mit Loch und Glasrohr (mit grossem Durchmesser)

In grossen Erlenmeyer flüssigen Stickstoff einfüllen, Gummistopfen mit langem Glasrohr einsetzen (so dass das Glasrohr tief in den flüssigen Stickstoff eintaucht). Der verdampfende Stickstoff bewirkt einen Überdruck im Erlenmeyer, der flüssigen Stickstoff durch das Rohr drückt, u.U. lässt sich damit eine Flöte betreiben.

Versuch 2: Flüssigen Stickstoff über CO2 ausgiessen¶

Kunststoffwanne mit hohem rand, durchsichtig
Trockeneis

Wird ein Glasgefäss (pneumatische Wanne) mit CO2 gefüllt und dann etwas flüssiger Stickstoff darüber geschüttet, schwebt der Nebel über dem CO2 in einer gewissen Höhe.

Versuch 3: CO2-gefüllter Ballon in flüssigem Stickstoff¶

Ballon
Trockeneis

Ballon mit gasförmigem Kohlendioxid füllen und dann in flüssigen Stickstoff eintauchen

Versuch 4: knusprige Marshmallows¶

Marshmallows

Marshmallows einige Sekunden an Zahnstocher in flüssigen Stickstoff tauchen und essen. Siehe Lebensmittel

Versuch 3: Flüssigen Stickstoff ausgiessen (durch Trichter mit Gummischlauch)¶

Trichter an Stativ
Gummischlauch

Durch die Abkühlung kondensiert Wasser, es entstehen Nebel. Die Tröpfchen sausen auf einem Kissen aus verdampfendem Stickstoff scheinbar reibungsfrei umher.

Trichter an Stativ mit längerem, dickem Gummischlauch. Wird Gummischlauch verbogen und flüssiger Stickstoff eingefüllt, so bleibt der Schlauch anschliessend in Form, auch wenn man ihn loslässt.

Versuch 4: Tiefgefrieren mit flüssigem Stickstoff¶

Peterli
Banane
Hammer
Nagel

Peterli in flüssigen Stickstoff tauchen und dann blitz-rüsten: er lässt sich zwischen den Fingern schnell und einfach zerbröseln. Bananen, Kunststoffschläuche eintauchen und mit Hammer zerstören bzw. mit gefrorener Banane einen Nagel einschlagen.

Versuch 5: Viskosität von flüssigem Stickstoff,¶

2 Filzhüte

Flüssiger Stickstoff fliesst durch einen Filzhut hindurch, Wasser jedoch nicht. Entweder zwei verschiedene Filzhüte verwenden, oder dann zuerst den Stickstoff durchlassen, das Wasser kann natürlich dann nicht durch, weil es gefriert.

Versuch 6: Glocke¶

scheppernde, schlecht tönende Glocke

Eine scheppernde oder nicht tönende Glocke (Blei) wird in flüssigen Stickstoff getaucht. Tiefgefroren erhält sie einen ganz anderen Klang.

Versuch 7: flüssiger Sauerstoff¶

grosses Reagenzglas an Statif
Sauerstoff
Zigarre
Zigarette
Aluplatte (nicht zu dick) gut befestigt an Stativ auf feuerfestem Untergrund
Glimmspan
Feuerzeug

In flüssigen Stickstoff ein grosses RG eintauchen (Kältefalle) und durch langsames Einleiten von Sauerstoff (evtl. ganz wenig flüssigen Stickstoff vorlegen und Sauerstoff einblubbern) flüssigen Sauerstoff herstellen.

Siedepunkte:

Sauerstoff: 90.2 K (−182,9 °C)
Stickstoff: 77,36 K (−195,79 °C)

Versuche mit Sauerstoff:

Bläuliche Farbe
Paramagnetismus: Tropfen wird von starken Magneten festgehalten (evtl. Magnet in Polystyrrol-Behälter mit flüssigem Stickstoff senken)
Mit flüssigem Sauerstoff getränkte Zigarre brennt wie ein Schweissbrenner, man kann damit ein Loch in eine Aluplatte schweissen. Eine Zigarette verbrennt so in 3 Sek, der Filter explodiert.
Glimmspanprobe in flüssigem Sauerstoff? Gefährlich?