Азот

История

Свойства

Применение

 
    Азот содержится в окружающем нас воздухе (около 78% по объему), но «увидеть» его не так просто. Азот не имеет ни вкуса ни запаха и даже в толстом слое не имеет окраски (в отличие от кислорода например), поэтому чтобы «показать» этот элемент, придется прибегнуть к небольшим хитростям.


    Самый простой вариант, который я использовал почти для всех газов, это возбуждение высокочастотного разряда в чистом разреженном газе. При этом каждый газ имеет свой собственный спектр (а во многих случаях и цвет) свечения (который, правда, зависит от давления газа и интенсивности разряда). На фотографии - небольшая ампулка, которая содержит азот под давлением 10 миллибар. Сбоку к ампулке подносится высокочастотный течеискатель (по сути, небольшая катушка Тесла), в результате чего азот начинает светиться голубым, или, при большой интенсивности разряда, фиолетово-розовым. В принципе, такой образец можно сделать довольно портативным, если вместо ВЧ течеискателя использовать небольшой инвертор от флуоресцентной лампы (лампа с холодным катодом). Инвертор можно извлечь, например, из старого сканера или ЖК монитора.

 
    Если надо получить более интенсивное свечение газа, проще всего взять газоразрядную трубку, где разряд возбуждается прямым пропусканием тока через газ. Трубка на фото имеет тонкую перемычку, в которой плотность тока (и интенсивность свечения) получается достаточно высокой для спектральных исследований или опытов. Такие спектральные трубки можно приобрести, например, на www.ebay.com по цене 15-25$ за штуку (причем в продаже имеются трубки практически для всех газообразных и для некоторых летучих элементов). Поскольку светящаяся часть трубки имеет форму тонкого цилиндра, сфотографировав отражение трубки от дифракционой решетки (или пропустив свет через призму), можно увидеть спектр соответствующего газа. Немного позже я постараюсь сделать такие фотографии для всех газов, которые у меня есть.

 
    А вот эта буква – одна из первых, которые я сделал самостоятельно. Похожие газоразрядные трубки в виде символов элементов (заполненные соответствующими газами) можно приобрести как минимум в двух местах: smart-elements.com и element-collection.com. Но набор букв из пяти инертных газов стоит 500 долларов, и поэтому мне захотелось сделать такие буквы самому (хотя потом я все-таки получил набор от smart-elements в обмен на другие образцы). Еще одна причина, по которой я решил сделать трубки самостоятельно, это отсутствие в наборах "букв" с азотом и водородом.

    Технология изготовления примерно такая же, как и при производстве "неона" (светящейся рекламы и вывесок). Из стекла, при помощи стеклодувной горелки гнется трубка в виде буквы, затем к концам припаиваются электроды, трубка вакуумируется, металлические части электродов прогреваются для активации, а потом "буква" заполняется соответствующим газом до давления 10-15 мм. рт. столба. и отпаивается. Полный набор для своей коллекции я пока не изготовил, но в качестве тренировки сделал набор для университетской таблицы, который можно посмотреть в разделе External Samples.
На самом деле, азот я сначала тоже хотел установить в таблицу. Но оказалось, что буква с азотом требует довольно большого напряжения для поджига, а поскольку отдельного блока питания у меня не было, букву решили не устанавливать, и я оставил её себе.

 
    Как я уже писал выше, азот не имеет окраски, поэтому колба с этим газом выглядит пустой (ну или прсто заполненной воздухом). Но если сильно захотеть, можно найти способы и доказать, что в колбе действительно находится азот. Можно например охладить колбу в жидком гелии и азот передет в жидкое, а потом и твердое состояние (с твердого азота можно снять например рамановский спектр и убедиться в том, что это именно азот). Если охладить только часть колбы, посде сжижения азота в оставшейся части образуется вакуум и записав ИК спектр вакуумированой колбы (на просвет) можно использовать его как фоновый спектр при записи инфрокрасного спектра колбы с азотом и опять же убедиться, что в колбе именно азот. Так же, можно попробовать измерить скорость звука в газе или с помощью очень мощного высокочастотного электрического поля возбудить в колбе разряд). Но все эти методы анализа доступны только в лабораторных условиях, а так, можно просто поверить, что содержимое соответствует этикетке . Как и колба с неоном, эта колба имеет разбиваемяй клапан и трубку для подпайки к стеклянной установке. При желании, можно подпаять к трубке стеклянный или тефлоновый вентиль для более удобного дозирования газа.

 
    Ну и самый простой способ увидеть газ, это получить его в жидком состоянии. Жидкий азот получают разделением воздуха и используют, в основном, в качестве хладоагента. Раньше для этой цели применяли жидкий воздух, но он опаснее, поскольку со временем азот испаряется, и воздух обогащается кислородом. При контакте с горючими веществами это может стать причиной взрыва.

    На фото – несколько миллилитров жидкого азота, налитых в прозрачный сосуд Дьюара. В сжиженном состоянии, азот выглядит как легкоподвижная, постоянно кипящая жидкость. С ним можно проделать множество различных опытов: от разбивания резинового шланга, замороженного в жидком азоте, до взрыва ПЭТ (полиэтилентерефталатной) бутылки из-под Кока-колы. В лаборатории, жидкий азот обычно используют для охлаждения вакуумных ловушек или сжижения газов, имеющих более высокую температуру кипения.

 
    Чтобы не обойти вниманием все четыре состояния азота (жидкость показана на фото выше, плазма присутствует в газоразрядных трубках, а обычный газ в стеклянной колбе), я сделал фотографию твердого азота. Нельзя сказать, что образец является частью коллекции, поскольку через несколько минут после фотографирования он растаял, но все же...
    Твердый азот довольно просто получить из жидкого. Достаточно просто начать откачивать пары над жидким азотом и он начнет интерсивно кипеть испаряясь. Поскольку в результате кипения теплота поглощается, оставшийся жидкий азот будет охлаждаться и через некоторое время затвердеет (при температуре -209.86 °C). Чтобы узнать примерную температуру внутри сосуда Дьюара с твердым азотом, не обязательно погружать в него термометр. Температуру можно прикинуть зная давление пара над азотом при откачивании его насосом (точно так же, как зная атмосферное давление мы можем сказать, при какой температуре будет кипеть вода). Я присоединил к установке ртутный манометр и примерно при давлении 90 мм рт. ст. азот затвердел (это примерно соответствует температуре -210 °C), а минимальное давление в термосе удалось довести до 20 мм рт. ст., что соответствует температуре -216°C. При откачивании, азот начинает затвердевать с поверхности покрываясь корочкой азотного льда. Потом затвердевшая масса начинает подпрыгивать и постепенно вся жидкость в колбе превращается в бесцветную массу похожую на лед.