Tekutý dusík

Kvapalný dusík, $\text{N}_2\text{(l)}$, je skvapalnená forma dusíka $\text{N}_2$ s teplotou varu −195,8 °C. Vyrába sa frakčnou destiláciou skvapalneného vzduchu. Jeho využitie z hľadiska chladenia je značné v situáciách, keď nestačí teplota suchého ľadu. Vďaka svojej veľmi nízkej teplote dokáže meniť fyzikálne vlastnosti mnohých materiálov.

Pri izbovej teplote kvapalný dusík neustále vrie – odoberá teplo z okolia a mení sa na plyn. Preto ho pri pokusoch vidno ako „bublajúcu“ kvapalinu obklopenú bielou hmlou.

Nafúknutý balón obsahuje vzduch. Keď ho ponoríme do kvapalného dusíka, vzduch sa prudko ochladí. Pri stálom tlaku platí, že objem plynu je priamo úmerný jeho termodynamickej teplote (Gay-Lussacov zákon):

$$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$$

Keď teplota klesne z približne 293 K na 77 K, objem plynu sa zmenší zhruba štvornásobne – a balón sa scvrkne. Okrem toho kyslík zo vzduchu (teplota varu −183 °C) pri tejto teplote skvapalnie a na dne balóna sa môže objaviť trochu kvapaliny.

Po vybratí z dusíka sa vzduch v balóne znova zohreje, kvapalina sa odparí a balón sa opäť nafúkne. Ide o fyzikálny dej – nevzniká žiadna nová látka.

• Guma a plasty: Po vložení gumovej hadice do $\text{N}_2\text{(l)}$ sa z látky mäkkej, pružnej a ohybnej stáva látka tvrdá, krehká a neohybná. Pohyb reťazcov makromolekúl sa pri nízkej teplote takmer zastaví.
• Kovy: Ak do $\text{N}_2\text{(l)}$ ponoríme kovové predmety, napríklad olovené zvončeky, vzrastá v nich rýchlosť šírenia zvuku, zmení sa ich schopnosť kmitať a materiál sa stáva krehkejším. Pri izbovej teplote sa kmity v olovenom zvončeku rýchlo utlmia, po ochladení v $\text{N}_2\text{(l)}$ však nie – a zvonček začne zvoniť.
• Oxid dusičitý: Ak ponoríme do $\text{N}_2\text{(l)}$ trubicu s hnedooranžovým $\text{NO}_2$, vzniká dimér $\text{N}_2\text{O}_4$ a farba sa zmení na svetložltú. Dimér nemá nepárový elektrón, je diamagnetický, a teda bezfarebný, prípadne mierne nažltlý:

$$2\,\text{NO}_2 \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4$$

Ide o rovnovážnu reakciu, ktorá sa pri ochladení posúva doprava. Ako teplota posúva chemickú rovnováhu, sa dozviete v pokuse Le Chatelierov posun chemickej rovnováhy.

$\text{N}_2\text{(l)}$ sa môže využiť aj na vytvorenie veľkého množstva hustého „dymu“ alebo hmly. Stačí naliať $\text{N}_2\text{(l)}$ do teplej vody. Dusík sa pri styku s vodou prudko zohreje a odparí. Studený plyn však ochladí vzduch a vodnú paru nad hladinou – vodná para skondenzuje na drobné kvapôčky, prípadne až kryštáliky ľadu, a vznikne hustá biela hmla. Samotný plynný dusík je neviditeľný.

Ak nalejeme $\text{N}_2\text{(l)}$ na podlahu, vytvoria sa kvapky, ktoré sa rozbiehajú všetkými smermi. Medzi kvapkou a podlahou je vrstva pár, ktorá kvapku nadnáša a tepelne izoluje od podložky, a preto sa pohybuje po podlahe takmer bez odporu. Vďaka tepelnej izolácii sa kvapka navyše neodparí tak rýchlo. Tento efekt sa označuje ako Leidenfrostov jav.