L'azote s'amuse

Figure 2. Ampoule plongée dans l'azote liquide

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« 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'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.

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 (T_eb de O₂) et -196°C (T_eb 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.

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.

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.