Pregled posta

Kako jeftino opremiti kućni kemijski laboratorij - živin barometar

1. Uvod

Ovaj je članak originalno napisan još lani, tijekom jeseni, ali je nekako ostao zaboravljen među skicama.
Da bi uopće nastao, trebao se odviti jedan čudnovat događaj; legitiman, opasan i dobroćudan, ali znajući u kakvoj banana-državi živimo, moguće ilegalan. Stoga o detaljima neću.

Barometar koji sam napravio pokazao se vrlo preciznim instrumentom, iako ga nikada nisam kalibrirao na nadmorsku visinu i uskladio s podacima DHMZ-a. Izmjere su relativne jer vidim promjenu tlaka, ali ne znam mu točan iznos. Za sada mi je dovoljno što lako i brzo uočim pad tlaka prije kiše, rast nakon lošeg vremena i slično.

Za onu nekolicinu koja koja se ikada bude upuštala u pothvat, bilo bi uputno pročitati ovaj članak koji sam napisao u jesen 2009. Zlu ne trebalo.
Inače ne preporučam izradu barometra onima koji nemaju iskustva s ovim metalom. Ovo nije jednostavna izrada meteorološke kućice. Ako vam je samo do malog pokusa s promatranjem promjene tlaka zraka, postoje izvedbe s vodom, balonima i čašama. Kiddie stuff. Ovo to nije.


2. Povijest barometra

Trebalo je jako dugo da se proširi ideja o tome da živimo na dnu planetarnog zračnog oceana koji nas tlači. Mnogi to ne pojme ni danas.
U prošlosti nije postojao način mjerenja tlaka, a u nešto slučajeva kada bi neka mjerenja ukazala da zrak ima masu, okolnosti rane fizike, nisu dozvoljavale da se ideja raširi i uhvati korijen. Nije bilo Interneta, te je informacija putovala brzinom konja.
Čak ni Galileo Galilei, uz bok Newtonu, Darwinu i Einsteinu, nije priznavao da zrak ima masu. U to vrijeme začetaka prave znanosti vladala je više filozofska dogma nego rani oblik znanstvene teorije popularno zvana "horror vacui", originalno Aristotelova. Iako je Galileo isprva smatrao vakuum nepostojećim, kasnije je sve više prilagođavao mišljenje. Nažalost, stao je na netočnoj ideji da je vakuum konkretna pojava koja može "vući".
Spori napredak ideje o masi zraka dijelom je opravdan i glomaznošću popratnih uređaja. Descartesov konceptualni uređaj iz 1631. godine bio je ogroman i nema dokaza da je ikad tehnički ostvaren.

Nešto prije 1643. godine talijanski astronom i matematičar Berti slučajno je napravio uređaj koji je koristio stupac vode i proizvodio područje za koje je kasnije tvrdio da je vakuum. Zbog niske gustoće vode koju je koristio, uređaj je bio visok oko 13 metara.

S lijeva na desno: Bertijev vakuumski uređaj (1639., Rim), Pascalov barometar (1646., Rouen), von Guerickeov barometar (Magdeburg, cca 1654.)

Torricelli, Galileov učenik, smatrao je da je vakuum "ništa", te da tu na djelu nije nikakvo usisavanje, nego da je tlak zraka taj koji gura vodu u cijev, te da bi u potpunom vakuumu voda jednostavno spuznula iz cijevi jer ju ništa ne može držati. Bio je na pravom tragu.

Napravio je vodeni barometar na gradskom trgu i učvrstio mu cijev uz jedan zid, te ga po prvi put u povijesti iskoristio za mjerenje tlaka zraka. Upravo je zbog kvantitativne odlike svog pokusa Torricelli osoba koju se uzima za otkrivača barometra.
Stupac vode zaista se mijenjao. Opadala mu je i rasla visina, a kada je shvatio da postoji čvrsta korelacija između njegove razine i uvjeta u atmosferi, rođena je znanost meteorologija. Nažalost, njegovi sugrađani tome nisu dodavali značaj, jer su mislili da Torricelli tim svojim "magičnim" uređajem izravno potiče vremenske promjene, a ne da uređaj promjene registrira. Zato su ga natjerali da uređaj rastavi. Znajući što je Crkva učinila Galileu, bilo je mudro ne izazivati praznovjerne, jer lomače nisu najzdravije. Smiješno, ali ni današnji ljudi nisu bolji.

Torricelli je i dalje htio mjeriti tlak zraka, no cijev od 10-ak metara nije se mogla sakriti. Počeli su ga i optuživati za vradžbine. Stoga se sjetio da bi kraći stupac dala živa, tekućina 13 i pol puta gušća od vode. Očekivano, živa je spuznula na otprilike 76 centimetara visine.
To je bio prvi živin barometar. Ukoliko je ikakva Torricellijeva oprema uopće i preživjela, uništena je 1944. godine skupa s cijelim postavom u jednom muzeju. Sudeći prema godini, pretpostavljam da je uzrok bilo nekakvo bombardiranje.

Nakon Torricellija, stigli su mnogi drugi. Blaise Pascal, po kojemu je i nazvana mjerna jedinica za tlak (paskal, Pa, njutn po kvadratnom metru) smislio je pokus kojeg mu je izveo šurjak Florin Perier. Bit pokusa bila je popeti se na planinu Puy de Dome i na tri mjesta različite visine izmjeriti tlak. Pascal je pretpostavio da će tlak opadati s visinom, i bio je u pravu.

3. Zadatak - barometar

Otkako sam kao tiho derište u knjižnici vidio slike koncepta živinog barometra htio sam to isto vidjeti i uživo. Nažalost, naše je školstvo blago oscilirajuć i dugotrajan skup gluposti, pa mi je želja ostala neispunjena.
Unatoč tome što sam tijekom srednjoškolskog obrazovanja uspio doći do izvjesne količine ne toliko čiste žive, nisam se hvatao rada jer nisam imao dovoljno duge cijevi.
Ideja je pala u zaborav na vrlo dugo vremensko razdoblje. No prije nekoliko godina domogao sam se debelih staklenih cijevi baš namijenjenih vakuumu. Ideja se vratila, pa sam u suradnji s kolegom izveo Torricellijev pokus.
7. studenog 2009. malo iza 21:30 ostvarili smo prvi toričelijevski vakuum. Rastavili smo stvar jer nije bila prikladna za "stalni izložak". Bolju sliku od ove nemam.
Ipak, želja da napravim pravi barometar nije me napustila, stoga sam se uhvatio planiranja. Plan je uspio.
Stoga evo upute za svakoga tko ikada bude tražio pomoć na webu. Ako kome pomogne, bilo bi mi drago da mi se javi e-mailom.


4.1. Izrada stalka

Upute su za pravljenje barometra koji visi na zidu i uvijek mora stajati uspravno.
Barometar nije igračka koja pred nečijim očima nešto izvodi, stoga će osobama s niskom sposobnošću zadržavanja pozornosti biti krajnje dosadan. Zbog toga što takve ljudske osobine često prati i djetinjasta impulzivnost, preporučam krajnji oprez kada su u blizini uređaja, da ga ne bi preokrenuli ili pokušali savinuti cijev. Njihovo naučeno i poprilično olako izgovoreno: "Ajme sorry!" neće vam očistiti po podu rasutu šaku metalnog otrova.

Pripremite:

- pladanj; na njemu se radi sve što uključuje baratanje živom
- živa; barem deset mililitara što čišće
- staklena cijev; potpuno čista i suha, deblje stijenke, duljine do 90 cm
- drvena letva; za stalak, dovoljno visoka da cijev ne strši izvan, a dovoljno široka da primi kvačice cijevi i mjernu ljestvicu
- letlampa; neka koja daje oštar, vruć, dvostruki konusni plamen, a ne široki "šuškavi". Poželjno je da ima prsten za regulaciju dovoda zraka.
- brusni kamen
- brusni papir; srednje finoće
- električna bušilica sa svrdlima
- tanka teflonska traka
- komad gumenog crijeva s vatom; ići će na dio cijevi tijekom izrade
- teško lomljiva bočica; za spremnik žive
- pluteni čep; brtvit će prostor između spremnika i cijevi (probušite ga bušilicom)
- pipeta; malena, vrh mora ulaziti u cijev link
- odvijač
- kvačice za kablove, takve da labavo obuhvaćaju cijev
- vijci; takvi da mogu ući u rupe kvačica, a dovoljno dugi da sigurno drže cijev na stalku
- akrilni sprej;
- tanke letvice;

Ostali standardni alat nije na odmet. Za mjernu ljestvicu možete iskoristiti laminirani milimetarski papir.
Važno je napomenuti da uređaj ne smije sadržavati dijelove od aluminija, pogotovo ne dijelove koji drže cijev. Čak i male količine živine pare s vremenom će pretvoriti aluminij u hrđavi prah. Pojava se redovno događa u laboratorijima, pri čemu stradaju ručke, kvake i slično.

Pretpostavite visinu barometra. Stupac žive će varirati svega par centimetara od standardnih 760 mm. Ako cijev strši, puknut će, pri čemu živa naglo spuzne u spremnik i može se preliti.
Također nastojte da montirana cijev nije previše udaljena od stalka i da je poduprta na više mjesta.
Postolje barometra trebalo bi sadržavati nekakvu "ogradicu", da drži spremnik da ne "pleše" po postolju. Ovdje je gruba skica iz koje ćete shvatiti na što mislim.
Drvo je dobro obojati da ga se sačuva. Na vrhu probušite rupu za ovjes.


4.2. Zataljivanje cijevi

Na kraj cijevi koji nećete zataljivati stavite par centimetara gumenog crijeva s vatom, što sprječava upuhivanje sline i pare.
Upalite plamenik na veći i hladniji plamen, te iznad njega zagrijavajte zadnjih nekoliko centimetara cijevi tako da plamen ne ulazi u cijev (inače će se cijev iznutra orositi). Cijev stalno vrtite oko svoje uzdužne osi.

Nakon desetak sekundi otvorite dovod zraka tako da nastane šušteći plavi plamen. Sada zagrijavajte samo vrh u najtoplijem dijelu plamena i dalje pazeći na orijentaciju prema plamenu.
Kad se staklo krene taliti, plamen će požutjeti, a rubovi će se početi skupljati. To traje par minuta u najgorem slučaju.
Cijev vrtite polako, ali dovoljno brzo da ju ne iskrivi gravitacija.

Provjerite izgled zataljenog vrha. Prva skica predstavlja cijev koja će gotovo sigurno prsnuti, druga skica cijev koja je traljavo zataljena, treća optimum, a četvrta nešto što treba izbjegavati.

Ukoliko izgleda kao prva, što je vjerojatni ishod, okrenite cijev tako da plamen liže prema njoj i brže je vrtite dok se vrh ne užari, a onda je izvucite iz plamena, okrenite okomito prema tlu i vrlo lagano puhnite. Vratite je iznad plamena i provjerite kako sada izgleda. Ako ste napuhali previše zraka, možda možete spasiti kraj jače ga zagrijavajući i vrteći dok se ne ujednači. Ako ne uspije ili ako ste ikako uništili vrh (skica #2), pustite da se ohladi, pa trećinu opsega cijevi zarežite brusnim kamenom nekoliko centimetara dalje, smočite rez i s krpom u rukama prelomite cijev, a zatim počnite ispočetka.

Kad vrh postane primjeren, smanjite dovod zraka plamenu i pustite da se užareno staklo u njemu hladi desetak sekundi. Zatim potpuno ugušite dovod zraka i vrteći je, provlačite vrh cijevi kroz čađavi plamen dok se dobro ne zacrni. Ugasite plamen i odložite cijev tako da vrući kraj ne dira podlogu. Ohlađenu cijev obrišite od čađe. S punjenjem je dobro započeti sutradan, jer u slučaju da je staklo izuzetno napeto, tijekom jednog dana postoji velika šansa da pukne. Bolje da pukne prazno nego puno metala. Ukoliko imate polarizacijski filter, testirajte fotoelastičnost kako je opisano ovdje. Napregnuto staklo morate vrteći zagrijavati u čađavom plamenu i onda opet polako ohladiti.

Nije savršeno, ali radi. Konkavno je i odolijeva naporu.

4.3. Punjenje

Najopasniji dio procedure. Tek potpuno gotova, ali rastavljena oprema spremna je za punjenje metalom.
No prvo nekoliko vrlo važnih naputaka:

- stalak mora biti spreman
- prije napuštanja radne površine osigurajte da sve što sadrži živu ostaje na pladnju
- ne puštajte u prostoriju djecu i neupućene u ono čim se bavite
- prozračujte prostoriju
- živa je teška i može razbiti staklo
- vruće i hladno staklo izgledaju potpuno isto - pazite što hvatate rukama
- skinite nakit s ruku

Idealno bi bilo do kraja cijevi ugurati nekakvu kanilu, a onda injekcijom polagano dodavati metal, istovremeno izvlačeći kanilu, ali cijev je možda preuska, možda nemate dobru kanilu, itd.
Ja sam radio kapaljkom. Uzme se kap žive pazeći da ne iscuri i oprezno unese što dublje u cijev, te ispusti tako da popuni 1-2 cm cijevi. Pošto je u cijevi zrak, kap zastaje i ne ide dalje. Cijev treba lagano začepiti prstom i potresati na specifičan način. Mora biti nakošena, a bit treskanja je u naglim eliptičnim pokretima, tako da se kapi deformiraju i puste van zrak iz unutrašnjosti dok puze prema dnu.

Ovo traje. Svaki put kad kap siđe do dna, provjerite je li stupac žive cjelovit. Ne smije biti zraka. Ako ima, lagano treskajte na opisan način. Nikako ne udarajte cijev i nipošto ne kuckajte njenim dlom o podlogu.
Kako se cijev bude punila bit će sve teža, što znači da će treskanje lakše prouzročiti pucanje. Nakon nekih pola metra popunjenosti, stupac je toliko masivan da neoprezno potresanje izaziva njegovo poskakivanje. Na dnu se kratko formira vakuum, nakon čega atmosfera gurne metal natrag pri čemu on zvonko udari u dno, pri čemu je velika šansa da se ono jednostavno rasprsne.

Kada napunite cijev do vrha, odložite je blago nakošenu na pladanj i napunite spremnik u koji će ona ulaziti. Zgužvajte malu količinu teflonske trake u čepić promjera cijevi i polagano ga ugurajte u živu na otvoru cijevi pazeći da ne ostane mjehurić zraka. Iscurit će kap žive (pladanj!). Na cijev navucite pluteni čep koji će brtviti spremnik.
Spremnik zatim nagnite pod blagim kutem i blago nagnutu cijev posve uronite u njegovu živu. Od tada pa nadalje, otvor cijevi mora biti neprekidno prekriven živom. Sada možete početi s uspravljanjem cijevi. Kada razlika u visini između vrha cijevi i površine žive u spremniku prijeđe visinu žive koja označava trenutni tlak, što je oko 76 cm, živa počinje tlačiti teflonski čepić. On zato može, ali i ne mora odmah izletjeti.
Primjerice, meni se to nije dogodilo sve dok nisam počeo lagano kuckati po cijevi. Metal je spuznuo uz specifičan zvuk. Par kapi koje su ostale pri vrhu pokupio sam pomičući cijev i spremnik gore-dolje.

Sve što preostaje jest montirati spremnik s cijevi u otprije spreman stalak, pričvrstiti cijev kvačicama, spustiti pluteni čep na cijevi u spremnik i namjestiti milimetarsku ljestvicu koja bi trebala biti pomična zbog kalibracije.

Kvačica koja labavo drži cijev na uzdignutoj podlozi nosača.

Čep ne smije savršeno brtviti, jer ovakav barometar mora imati sitnu komunikaciju s atmosferom da bi uopće funkcionirao. On tu služi kao prepreka brzoj izmjeni zraka i u svrhu smanjenja istjecanja metala ako se stvar prevrne.


5. Upute i zaključak

Ako barometar trebate premjestiti na neku kraću udaljenost, činite to bez naglih pokreta. Ako se radi o većoj udaljenosti, koja primjerice uključuje vožnju automobilom, onaj pluteni čep zabrtvite malo jače, barometar položite pod blažim kutem i osigurajte ga jastucima. Postoje načini kako se može napraviti robusniji uređaj, ali to izlazi iz okvira ovog članka.

Neki će se pitati koliko je ovaj barometar opasan za ljude, pošto živa isparava, a barometar nije zabrtvljen. To ovisi o površini izložene žive, temperaturi, prozračivanju prostora, ovisi o starosti promatranog čovjeka, itd.
Opasnost za odrasle ljude, ako je spremnik takav da je izložena površina žive malena, ako ne stoji iznad nečega što grije, a prostorija se normalno zrači je zanemariva. Međutim najbolje ga je držati u posebnoj prostoriji, recimo garaži, tavanu ili podrumu. Predostrožnosti radi, donji dio možete staviti u plastičnu vrećicu koju fiksirate za stalak.

Razlike u tlakovima zraka tijekom dva svibanjska dana u Zadru. Ako na ovo naleti netko s pristupom godišnjim podacima za tlak zraka i temperaturu diljem Hrvatske, bio bih zahvalan kad bi provjerio je li u navedeno vrijeme zaista došlo do ovolike promjene tlaka i javio mi e-mailom.

Vrlo informativna stranica s objašnjenjima zašto živini barometri nisu krvoločni ubojice kakvima ih se portretira nalazi se ovdje. Čovjek je napravio račun i čini se da je dokazao da nema posebnih problema.

Ako napravite ovakav uređaj kako treba, sposoban je godinama mjeriti promjene tlaka bez potrebe za remontom. Korisna je, apsolutno točna i zapanjujuća naprava čiji je koncept star nekoliko stotina godina.


Post je objavljen 05.07.2011. u 08:15 sati.