液体窒素（沸点-196℃）44の実験
−196℃の世界を体験してみよう！
［存在］
Ｎ2 nitrogen 乾燥空気の78 %(体積)を占める。
［発見と名称］
1772年D.Rutherford(ｽｺｯﾄﾗﾝﾄﾞ)が発見。元素名nitrogenは，硝酸nitric acid，硝石nitrumの成分であることから名付けられた。ドイツ語・日本語の窒素は，"窒息"から名付けられた。他の元素と化合しにくいので"不活性ガス"とも呼ばれる。
［生体内での役割］
窒素化合物は，植物にとっては，重要な栄養素（肥料）である。生物体内のアミノ酸，タンパク質や核酸の成分元素になる。
［製法］
断熱膨張によってつくった液体空気の分留（酸素の沸点-183℃）により取り出される。
［利用］
保存食品の袋や容器に封入されている。お茶・鰹節・お菓子のパックや缶飲料。
工業的には，鉄鋼などの金属製錬やアンモニアの製造原料に使われる。
液体窒素は，冷凍食品の製造，生物試料（卵子,精子,血液など）の保存や超電導磁石の冷却剤などとして利用されている。
窒素の（1 atmの元での）沸点は、-196℃ですから、常温の部屋の中では沸騰しています。液体の水は、いくら火を強くしても沸点（100℃）以上の温度にはなりません。このように、液体はいくら加熱しても沸点以上の温度にはなりませんから、液体窒素の温度は-196℃になります。
［デュワー瓶］
1891年 ジェームス・デュワー Sir James Dewar（イギリス）が液体酸素保存用に金属製の二重壁容器をつくった。さらにガラスの二重壁容器に銀メッキをしたものをつくった。これをデュワー瓶(Dewar flask)と呼ぶ。
1904年 ドイツのテルモス社Thermos(サーモス)が商品化した。欧米ではテルモス瓶と呼ぶことが多い。
1911年 大阪の日本電球が日本で初めて製造。「魔法瓶」という商品名で販売。その後、大阪の特産品となる。また、現在、ホウケイ酸ガラス（耐熱ガラス）をつかった割れにくい高品質の魔法瓶の製造ができるのは日本だけだそうだ。
1978年 日本酸素（株）（現在の社名は、大陽日酸）が、ステンレス鋼製魔法瓶を開発。
↑ 実験用のデュワー瓶
右はPETボトルで自作したもの
↑ 保存用のデュワー瓶
（太陽日酸製）
［実験をするときの注意！］
※１．凍傷にならないように，取り扱い注意！
布製手袋は着用しない，しみ込むと凍傷になり大変危険。素手で扱うのが安全。
冷えた物体をつかむときは、液がしみ込まない革製の手袋を着用する。右の写真のような天ぷら用竹ばさみが便利。（100円ショップで購入）
※２．閉め切った部屋の中で液体窒素を扱わない！
酸素の濃度が低くなって、窒息してしまう危険性があります。
換気をよくして、実験しましょう。
また、自動車で運ぶときは、必ず窓を開けておいてください。
※３．実験教室において，来場者に対して人体実験はしてはいけない！
指を液体窒素に入れる実験 ，マシュマロを試食する実験をさせてはいけない。
［実験内容］表示は以下のようにしています。
（生徒）：生徒が書いた結果の予想
（結果）：実験してみた結果
（理由）：なぜ、そうなったのかの理由。
★ ：安全な実験のために
★ ：実験のコツ
<<液体窒素って、どんなものなの？>>
（結果）注ぎ口から湯気（白煙）が出て沸騰している。
（理由）液体窒素が盛んに蒸発し，冷やされた湿気が霧状になり吹き出してくる。
★ 少量入れてすぐにふたをする。
2. デュワー瓶やペットボトルで作った二重容器に液体窒素を入れると
（結果）激しく沸騰する。しばらくすると容器が冷えて落ち着いた沸騰になる。
jowar便秘
（理由）液体窒素の沸点-196℃より容器の温度が高いため，激しく沸騰する。
しばらくして容器が冷えても，気温が高いから沸騰は続く。
3. 液体窒素を床にまくと
（結果）まいた一面に白煙を生じ，液体窒素は玉状になって転がっていく。
（理由）加熱したフライパンに水を入れたのと同じで，蒸発して生じた気体の膜で液体窒素が床に接触せず，浮いた状態で転がるためだ。。
★ 靴や衣服などにしみ込まないように、人から距離を置いた場所に少量こぼす。
★ 高い位置から落とすと四方八方に飛び散って観察できないので，低い位置からゆっくりこぼすようにすると観察できる。
4. 液体窒素を水槽の水の中に注ぎ入れると浮くか？，沈むか？，溶けてしまうか？
（生徒）溶けてしまって水が凍る。
（結果）ドライアイスを水の入れたときのように白煙を多量に生じる。しばらくして蒸発が落ち着いてから煙をあおいで取り除くと，油のように水に浮かんで沸騰している。
（理由）水蒸気が冷やされて，小さな水滴になり，白煙（霧）を生じる。
窒素は，無極性分子だから油のように極性分子の水に溶解せず，分離する。
液体窒素の密度は，0.8 g/cm3だから軽くて水に浮く。
<<花を入れると、なぜカチコチになるのか？>>
5. 花を液体窒素に入れると
（生徒）ドライフラワーみたいにバリバリになる。
（結果）10秒ほどでカチコチになり，つかむとバラバラになる。
●では，なぜこのようになるのか，紙で確かめてみましょう。
6. 乾いた紙を液体窒素に入れると
（生徒）カチコチになる。
（結果）液体窒素がしみこみ濡れるが，やわらかいまま。
（理由）水分がないものは凍らず，繊維のしなやかさは保たれる。
7. 紙を水で湿らせて液体窒素に入れると
（生徒）カチコチになる。
（結果）花のようにバリバリになり，つかむと割れる。
（理由）水分がないものは凍らないため。ぬれた紙を入れるとカチコチになる。
8. 輪ゴムを半分だけ液体窒素に入れ，取り出してひっぱると
（生徒）カチコチになり割れる。
（結果）引っ張るといびつに伸びる。
（理由）繊維ではないゴムは硬くなる。入れた部分だけが凍って伸びないため，いびつに伸びる。
9. "指"を液体窒素の入れるとどうなるか。
（生徒）指が凍傷でちぎれる。
（結果）1秒以内なら，なんともない。★長い時間入れてはいけない！
（理由）気泡が発生し，しばらくなら熱が逃げるのを防いでくれる。
★ 指が濡れていると凍傷になり危険。参観者には絶対にさせないこと。
10. パイプ（ゴム管）を液体窒素に入れると
（生徒）カチンコチンになり割れる。
（結果）パイプから液体窒素が吹き出してくる。
（理由）沸騰したやかんの口から吹き出すのと同じ原理。
★ パイプの口を人のいる方に向けないこと。
11. 長いガラス管を液体窒素保存容器に差し込むと
（結果）ガラスの先端から液体窒素が噴水のように吹き出してくる。
※ この現象を利用して，保存容器中の液体窒素の残量を知ることができる。1 m以上のガラス管でも吹き出る。
★ 周囲に人が近寄らないようにする。ガラス管を革手袋をして持ち容器にゆっくり入れていく。
<<液体シリーズ>>
12. サラダオイルを液体窒素に入れると
（生徒）油は，固まらない。
（結果）試験管に入れたサラダオイルは，固まりにくそうなだが白濁して固まる。温まれば元に戻る。
13. 液体窒素に氷（水の固体）を入れると浮くか，沈むか。
（生徒）氷は液体窒素より暖かいので，泡を出して浮く。
（結果）泡がでるが，沈む。
（理由）氷の密度の方が大きい。
14. 試験管でエタノールの固体を作り，それを液体のエタノールに入れると浮くか，沈むか。
（生徒）固体が浮く。
（結果）固体が沈む。
（理由）水以外の物質は，固体になると密度が大きくなる。これが普通の物質の性質。
凍って固体になると体積が膨脹し、密度が小さくなる水は、特殊な物質である。
★ エタノールの固体は，少し温めて周辺が解ければ流し出すことができる。すぐに溶けてしまうので，液体の底の方を見てもらっておいて，入れるようにする。
健康的な減量の週
<<金属を-196℃にすると、どうなるのか？>>
15. 鉛の鈴を入れ，冷やしてから鳴らすと冷やす前と比べてどんな音に聞こえるか。
（生徒）変わらない。鳴らなくなる。
（結果）室温では，鈍い音だが，冷却するとすんだ高温になる。
（理由）硬度が増し音速が速くなるため共振振動数が大きくなるから。
<<ボールシリーズ>>
16. スーパーボールを入れ凍らせ，床に落とすと
（生徒）粉々に割れる。
（結果）割れずに石のようにかたくなり，硬い音がしてよく跳ね返る。
しばらくすると，弾まなくなる。温まると元通りよくはねる。
透明なゴムだと冷やすと乳濁する。温まると透明に戻る。
（理由）中が詰まっているので割れにくい。硬いとよく反発するる。
少し温度が上がり柔らかくなると弾まない。
乳濁するのは、部分的に微結晶になるので光が散乱するため。
17. ゴム（ソフトテニス）ボールを入れ凍らせ，床に落とすと
（生徒）カチコチになり，落とすと割れる。
（結果）カチコチになり，落とすと割れる。温まると元の弾力のあるゴムにもどる。
（理由）内部が空気なので床への衝撃で大きく変形し割れるため。
★ 飛び散るので、人から距離を置いた場所に落とすこと。
★ 長い時間冷やしすぎるとゴムボールはへこんでしまう。塩ビ製ボールでは，自然に割れてしまうことがある。転がして全体を冷やして，20〜30秒で取り出すとよい。
18. シャボン玉を入れて凍らせると
（生徒）凍って割れる。
（結果）凍ったシャボン玉はいつまでも消えない。
19. ふくらんだ風船を液体窒素に入れると
（生徒）カチコチになり割れる。
（結果）しぼんで小さくなる。割れない。温まるとふくらんで元の大きさに戻る。
（理由）シャルルの法則で，体積が小さくなっていく。さらに、酸素は液化し体積が非常に小さくなる。しかし、風船のゴムはうすいので割れずに縮んでいく。
★ ペンシル風船で行うと容器に入りやすい。
<<気体シリーズ>>
20. ふたをした空のペットボトルを液体窒素に入れると
（生徒）縮んでへこむ
（結果）しばらくたつと急にベコッという音を伴ってへこむ。温まるとベコ，ベコと音を出して膨らむ。
21. ふたをした空きアルミ缶を液体窒素に入れると
（生徒）縮んでへこむ。
（結果）しばらくすると急にペコン，ペコンという音を伴ってへこむ。外へ出すとペキペキという音を出して元に戻る。
★ へこましすぎると元に戻らない。少しへこんだところで，外に出した方がよい。
22. 空き缶のコップに液体窒素を入れ空中に持っていると滴（しずく）が垂れてくる。この液は何だろうか？
（生徒）空気中の湿気が露になった，水。
（結果）丸めて火をつけ，くすぶらせたティシュを蒸発皿に入れて，そこに落とすと「ボッ」という音を出して一瞬激しく燃える。これは，液体酸素である証拠。燃えてしまったときに液体窒素をかけると火は消える。
火をつけたスチールウールに垂らしても同様に激しく燃える。
（理由）水なら，-196℃では霜（氷）になる。水ではなく空気中の酸素が液体になったもの。酸素の沸点は-183℃。この温度以下にすると液体になる。
滴の垂れたあたりに何個かのネオジム磁石をおいておくと進路が曲がる。
★ やけどと火事に注意。室内では火災警報器にも注意。
23. 液体酸素を観察してみよう。（試験管に短いガラス管を差し込んだゴム栓を付け，ガラス管にポリ袋をテープで漏れないように貼り付ける。この袋に酸素を入れて，試験管を液体窒素で冷やす。）
（結果）ポリ袋が縮んで，試験管に淡青色の液体酸素がたまる。ネオジム磁石を側面に持って行くと少しだけ液が近寄ってくる。
（理由）酸素の沸点は，-183℃だから。酸素は常磁性で磁石にくっつく。
24. 液体酸素の助燃性を確かめてみよう。（試験管たまった液体酸素を脱脂綿に染みこませ蒸発皿に入れる。これに点火した線香を近づける。）
（結果）脱脂綿が激しく燃焼する。
25. ポリ袋に詰めた二酸化炭素を液体窒素に入れると
（生徒）袋が縮んで，液体になる。
（結果）白い粉（ドライアイス）ができる。
（理由）二酸化炭素は，1 atmのもとでは，液体にならず昇華（気体が直接固体になる）する。昇華点 -78.5℃
26. 二酸化炭素を入れたポリ袋の上から液体窒素で冷却すると
（生徒）？
（結果）ドライアイスの雪が降る。
27. フィルムケースに液体窒素をしみこませたティッシュを入れ、ふたを閉めると
（生徒）ふたが飛ぶ。
（結果）ポン！とものすごい音を立てて，ふたが天井まで飛んであがる。
（理由）気体になると体積が膨張（約1000倍）し，圧力が大きくなるから。
★ ケースが倒れて人の方向などに飛ぶと危険なので、倒れないように円筒形の容器に入れるか手で持って支えておく。そして、真上の蛍光灯などに注意！
★ ティッシュは固く丸めておく。
28. 三角フラスコに液体窒素を入れ風船をつけると
（生徒）爆発する。
（結果）破裂する寸前で，はずれて飛んでいく。（しっかり口を止めていると破裂する）
（理由）液体が気体になり体積が膨脹し、膨れたため風船の根本がゆるむ。
★以下の可燃ガスを使った実験は危険なので実験になれた人が，十分注意して行うこと★
29. 試験管を液体窒素の入れ、その中にカセットコンロのガスを吹き込むと
（結果）ガスが液体になり，白煙を生じる。しばらくすると液体がたまってくる。さらに冷やしておくと白い固体になる。
（理由）主成分であるプロパン，ブタンの沸点は、-42℃，-0.5℃。
融点は -188℃，-138℃であるので，十分冷やせば固体になる。
最初は，固体または液体の微粒子が空間にできるために白煙を生じる。
★ 漏れたガスに引火しないように、周辺（同じ部屋の中）に火の気がないことを確認してから行うこと。燃焼しているストーブのある部屋では、決して行ってはいけない。
30. ガスの液体または固体が入った試験管の口に火を近づけると
（生徒）爆発する。
（結果）点火しない。
（理由）沸点より低い温度に冷えているためほとんど、気体が発生せず燃えない。
★ もしもの事故に備えて、人から遠ざかって行う。試験管の口は人のいない方に向ける。
（生徒）爆発する。
（結果）穏やかに燃焼する。
（理由）酸素を含んでおらず、試験管の口から出たところで空気に触れて燃焼する。
手で温めると蒸発が激しくなり炎が大きくなる。手を離してしばらくすると蒸発熱のために温度が下がり蒸発が穏やかになり、炎は小さくなる。
32. 点火した試験管の液体を手で温めるとどうなるか
（結果）炎が大きくなる。
（理由）温度が上がると蒸発が盛んに起こり出て行くガス（気体）の量が増えるから。手を離してしばらくすると蒸発熱のために温度が下がり蒸発が穏やかになり，炎は小さくなる。
★ 火事，やけどにならないように周囲に注意を払うこと。
（結果）振ったとたん炎が非常に大きくなる。
（理由）振ると温度が高い試験管の壁面に液が触れるために急に蒸発が盛んに起こりるから。静止してしばらくすると蒸発が穏やかになり，炎は小さくなる。
★ 火事，やけどにならないように特に周囲に注意を払うこと。また，強く振って液をこぼすと大変なことになるので穏やかに加減しながら振ること。
<<電気・磁気シリーズ>>
34. 空気中でシャープペンシルの芯に15 Vで電気を流すと
（生徒）光る。
（結果）電気が流れ，まばゆく輝く。数秒後，焼け切れる。
（理由）黒鉛は，電気を通すが電気抵抗があるため発熱する。
高温のため燃焼して焼けて細くなり，切れてしまう。
赤熱してすぐに煙を出して焦げ臭いにおいがする。これは，芯が折れにくいように配合されている樹脂が燃えたからである。
★ 回路がショートしないように注意して配線する。
35. 液体窒素の中で，シャープペンシルの芯に15 Vで電気を流すと
（生徒）多数の生徒：光らない。 少数の生徒：光る。
（結果）電球のように長い時間，美しく光っている。
（理由）-196℃の低温中でも，発熱はする。光の色からみて、芯は千数百℃〜2000℃になっている。
酸素がないので，燃え尽きることがなくずっと光り続ける。
このとき液体窒素の沸騰は，たいへん盛んになる。
36. 電池にモーター（または豆電球）を取り付け，回転（点灯）させながら，電池を液体窒素に入れてみると
（生徒）モーターがとまる（豆電球が消える）。
（結果）徐々に回転が止まる（暗くなって消えてしまう）。
（理由）電池は，化学反応で電気を作っている。
温度が下がると化学反応の速さが遅くなる。その結果，起電力が小さくなる。
電池が温まると元通り、回転し始める（点灯する）。
37. 電池に，約５mのﾎﾙﾏﾙ線を巻いたコイルと豆電球を直列に取り付けるとかすかに光る。このコイルを液体窒素に入れて冷やすと
（生徒）電球の明かりが消える。
（結果）明るくともる。
（理由）金属の電気抵抗は，低温にすると小さくなるので、電流が大きくなるため明るくなる。
38. 鉄心を入れたコイルに電流を流すと電磁石になり鉄がくっつく。このコイルを液体窒素に入れて冷やすと磁力はどうなるか
（生徒）磁石でなくなる。
（結果）磁力がより強くなる。
（理由）金属の電気抵抗が，小さくなるので、電流が大きくなり磁力が強くなる。
（結果）常温のときには普通に上に接して乗るが，冷えると磁石が浮かんでくる。
（理由）超伝導状態になると磁力を排除するようになるから。この現象をマイスナー効果という。
<<食品シリーズ>>
40. バナナを入れ凍らせ，くぎを打つことができるか？
（結果）くぎを打ちつけることができる。
（理由）凍結すれば硬くなるから。内部まで硬くしたバナナで打つとバナナが割れてしまう。2分間程度で引き上げて実験した方がよい。
★ 凍傷にならないように，凍ったバナナは手袋を着用して持つこと。解凍すると真っ黒になり、実もとろけてしまう。（バナナの凍傷）
（生徒）破裂する。
（結果）冷えている間、ミシミシという音がする。ひびが入ることが多い。取り出して割ってみると、半熟卵のようになっている。夏場に常温のLサイズ卵で3分，冷蔵していたSサイズ卵では1分で取り出すのが目安。
（理由）殻は固く、中身は水分を含んでいるので膨脹し、ミシミシと殻が割れる音がする。
外側の白身は、凍って白色になる。黄身はまだ凍ってなくてどろっと出てくる。もっと時間をかければ黄身まで固まる。
★ 融けると元の生卵に戻るので，放置しないで硬い間に処理する。
42. マシュマロを凍らせ食べてみると
（生徒）口に入れると凍傷になる
（結果）凍傷にはならず，口から白煙を吹き出しながら食べることができる。
アイスクリームを食べたような感じがする。
（理由）空気を多く含んでいて空気は熱を伝えにくい。そのため凍傷を起こさず，安全にカリカリと食べることができる。冷たく甘いのでアイスクリームを食べたような感触がする。
★ マシュマロ以外の食品を凍らせて食べてはいけない。口の中の水分が凍って凍傷を起こす。きれいな容器に入れた新しい液体窒素で行うこと。
（生徒）泡がふき出る。
（結果）泡が凍結し，真っ白なシャーベットができる。
（理由）泡の水分が凍ると同時に，二酸化炭素がドライアイスになる。食べるとシャリシャリしたソーダ味。
★ 未成年にビールの試食はだめ。
<<光シリーズ>>
44. 液体窒素の液面すれすれにレーザーポインターの光を通すと
（結果）光路がわずかに下向きに曲がる。
（理由）液面すれすれは低温で，離れるほど温度が高くなる。温度により，空気の屈折率が異なるため光が曲がる。蜃気楼が現れるの原理と同じ。
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