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Mots-clés

azote changements d'état magnétisme transitions de phase

L'azote s'amuse

Romain Barbe

École Normale Supérieure de Lyon

Arnaud Gautier

École Normale Supérieure de Lyon

Jean-François Le Maréchal

École Normale Supérieure de Lyon

Gabrielle Bonnet

16/11/2005

Résumé

Présentation, illustrée par un film, d'expériences amusantes et instructives sur l'azote.


Une vidéo associée à un texte explicatif vous présente des expériences amusantes et instructives sur l'azote...

La vidéo

Figure 1. 


Que trouver dans cette vidéo?

« L'azote s'amuse », atelier réalisé pendant plusieurs années lors de la Fête de la Science à l'École Normale Supérieure de Lyon, consiste à montrer des expériences spectaculaires qui utilisent l'azote liquide tout en mettant en jeu quelques concepts physico-chimiques de base. Il exprime un point de vue sur la façon dont on peut présenter la science auprès d'un très large public et motiver ce dernier à s'y intéresser.

Certaines de ces expériences, parce qu'elles étaient trop coûteuses en azote ou trop difficiles à mettre en œuvre pour la Fête de la Science n'étaient que rarement présentées. Nous les proposons ici sous forme de films.

L'azote, gaz et/ou liquide ?

L'objectif est de montrer l'énorme variation de volume lors du passage du liquide au gaz. Pour cela, on verse de l'azote bouillant dans un récipient dont l'extrémité est obstruée par un bouchon percée d'un tube. Le passage du liquide au gaz provoque une augmentation du volume d'un facteur 680 dans le cas de l'azote à pression ordinaire. Cela crée une surpression qui fait jaillir l'azote liquide ou, dans l'expérience suivante, provoque la rotation d'une balle de ping-pong percée et remplie de diazote.

Azote et oxygène liquide

On se propose ici de condenser de l'air sur une surface d'aluminium. On remplit d'azote liquide un cône fait de papier aluminium. On observe une liquéfaction à la surface de métal et un léger goutte à goutte est observé.

Nous allons considérer l'air comme composé exclusivement de diazote et de dioxygène. Puisqu'il n'y a pas d'azéotrope pour ce mélange, sa température de liquéfaction est comprise entre -183 (Teb de O2) et -196°C (Teb de N2). La température de la surface métallique étant de -196°C, on observe une liquéfaction d'un mélange O2 / N2.

Pour produire de l'oxygène liquide, il est préférable d'utiliser de l'oxygène gazeux en bouteille sous pression. On montre par barbotage dans de l'eau que du gaz sort du cylindre relié par un flexible à une pipette simple. Cette dernière est plongée dans un tube à essais immergé dans un Dewar plein de diazote bouillant. On règle un débit d'oxygène suffisamment élevé pour obtenir rapidement quelques millilitres de dioxygène liquide, mais pas trop pour empêcher le réchauffement du tube à essais par un flux important d'oxygène à température ambiante. On observe l'accumulation dans le tube d'un liquide bleu ciel : de l'oxygène liquide. On peut vérifier quelques propriétés physico chimiques du dioxygène liquide : d'une part son caractère paramagnétique (on le contient dans l'entrefer d'un aimant) d'autre part sa propension à raviver la flamme d'une bûchette incandescente en l'approchant de l'extrémité du tube.

Azote et lumière

Le verre d'une ampoule électrique est brisé, en laissant intact le fragile filament de tungstène. On plonge ce qui reste de la lampe dans l'azote liquide. Le passage d'un courant électrique provoque l'échauffement du filament et l'émission de lumière, de façon durable. Le filament est entouré d'une mince couche d'azote gazeux qui est un gaz inerte, tout comme le krypton ou l'argon initialement présent dans l'ampoule. Le même filament laissé à l'air brûle en une seconde.

Refroidir quelques objets courants

Quelques objets ont été sélectionnés pour être montrés dans des situations inhabituelles à cause de l'azote liquide. De telles expériences illustrent des propriétés des objets, ou des matériaux qui les composent.

Le caoutchouc

Le refroidissement d'un ruban de caoutchouc permet de montrer les limites de l'élasticité des polymères. Quand on passe en dessous d'une température de transition vitreuse, ceux-ci perdent leur élasticité et deviennent cassants. A très basse température, les conformations des chaînes polymériques sont complètement figées et ne peuvent répondre à une déformation mécanique.

Une application de cette propriété cassante du caoutchouc est l'ébarbage industriel des pièces moulées. Celles-ci sont placées dans un tambour refroidi à l'azote liquide où les barbes se brisent par frottement.

Une banane

Toutes sortes de végétaux peuvent être congelés à l'azote bouillant. Une banane devient tellement dure qu'elle peut être utilisée pour planter un clou... du moins tant qu'elle ne se casse pas ! Cette situation peu courante montre la dureté du végétal congelé, laquelle s'interprète par la solidification de l'eau qui le constitue.