Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 27 » Кислород
12:00
Кислород

Кислород является наиболее распространенным окислителем на планете. Этим он обязан высокой распространенности (содержание в земной коре 47,2% весовых, в атмосфере 23% по объемы или 21% по весу) и второй после фтора величиной электроотрицательности. Кислород входит в состав воды мирового океана, атмосферы, живые организмы, оксиды и многие соли в составе почвы, то есть, встречается практически везде.

Впервые кислород получен и описан шведским химиком К. Шееле в 1771 году при разложении селитры, оксидов свинца, азотной кислоты, диоксида марганца и др. веществ, он назвал кислород "огненным воздухом”. Также кислород был выделен в чистом виде и описан английским химиком Джоном Пристли в 1774 году, при разложении оксида ртути. Впоследствии, кислород был обнаружен в составе воздуха.

Свое название, кислород получил от французского слова "oxygene”, что означает "рождающий оксиды”, так как, кислород входит в состав многих кислот и во все оксиды.

В промышленном масштабе кислород начали получать из воздуха в конце 19-го века. До сих пор кислород получают ректификацией воздуха под давлением около 200 атмосфер. Для этого, воздух сжимают компрессором до высокого давления, при сжатии, из воздуха собирается конденсат из воды, диоксида углерода, прошедшей сквозь фильтры мелкой пыли и паров высококипящих примесей. Конденсат сливают из дренажной емкости компрессора. Сжиженный воздух подается в ректификационную колонну (изначально, это был перегонный аппарат, но, он позволял получить чистоту кислорода до 60-70%), где, стекая по тарелкам, постепенно испаряется более легкокипящий азот. Температура кипения жидкого азота ниже, чем у кислорода, так как, во-первых, ниже атомная масса (молекула азота весит 28 гр. на моль, молекула кислорода 32 гр. на моль). Во-вторых, молекулярный кислород является парамагнитным веществом. Это означает, что он обладает магнитными свойствами, и может удерживаться магнитным полем.

Парамагнитные свойства молекулярного кислорода связаны с неравенством в молекуле электронов с левым спином, числу электронов с правым спином. В результате чего, в молекуле имеется неуравновешенный магнитный момент, взаимодействующий с магнитным полем. Предложены методы выделения кислорода из воздуха на основе его парамагнитных свойств, но, они не нашли практического применения.

Испарившийся азот сжимают компрессором до сжижения и разливают в баллоны, он используется в качестве хладагента, защитной инертной среды, сырья для получения азотной кислоты и аммиака. Кислород на выходе из ректификационной колонны доводят до 150-170 атм., и разливают по баллонам. На промышленном жаргоне, эти цельнотянутые, цилиндрические емкости с овальными крышками называют "бомбы”. Баллоны с кислородом окрашивают в голубой цвет.

В лабораториях, кислород получают термическим разложением кислородсодержащих соединений (селитры, хлораты, перхлораты, перманганаты, пероксиды и др.), обычно, в присутствии катализатора. Наиболее безопасный и удобный способ получения кислорода в лаборатории – разложение перекиси водорода, концентрацией 5-10%. Для этого, колбу наполняют примерно на 1/5 по высоте перекисью, подготавливают пробку с газоотводной трубкой и катализатор. В качестве катализатора выступает несколько крупинок соли переходного металла, например, перманганат или бихромат щелочного металла. Катализатор заворачивают в чистую фильтровальную бумагу и бросают в колбу, сразу закрыв ее пробкой. После набухания фильтра, перекись добирается до катализатора. Метод удобен, но, если нужен точный расход кислорода, то удобнее использовать аккуратное нагревание вместо катализатора. В любом случае, много катализатора брать не стоит. Помните, что при разложении "пергидроля” (30%-ной перекиси водорода) выделяется достаточно энергии, что бы разогреть продукты разложение до 110оС. А, для 100%-ной перекиси это значение достигает 340оС. Вспомните, хотя бы, аварию на подводной лодке "Курск”, где одной из причин трагедии стало несанкционированное разложение перекиси водорода в баллоне торпеды.

Здесь стоит упомянуть, что одной из первых областей применения, концентрированный пероксид водорода приобрел в начале 20-го века. Это была смесь 40-50 %-ной (тогда, концентрированнее получать не умели) перекиси водорода с керосином, предложенная для взрывных работ. Данный состав не получил значительного распространения, как по причине низкой устойчивости эмульсии и невысоких показателей взрывного разложения, так и из-за сложностей в обращении с концентрированной перекисью.

Здесь стоит напомнить, впервые перекись водорода была получена в 1818 году французским ученым Луи-Жаком Тенаро. Он воздействовал кислотой на пероксид металла. Данный метод стал классическим для лабораторного получения перекиси водорода, но, в виду сложностей соблюдения достаточной чистоты веществ, сегодня практически не используется. Промышленный метод получения перекиси водорода основан на электролизе воды при особых условия. Данный метод получил основное развитие в Германии в 20 – 30-е годы прошлого века.

Кстати, свое первое широкое применение, концентрированная перекись водорода получила именно тогда. Знаменитый ученый Вернер Фон Браун в 30 – 40-е году работал в Германии над программой создания ракетного оружия большой дальности. Как мы все знаем, результатом этих работ стала ракета "А-4” (более известная широким кругам, под своим военно-промышленным индексом "Фау-2”). Для привода компрессорной установки, подающей под давлением жидкий кислород и спиртовую смесь в сопловый блок, долгое время не могли подобрать ни чего подходящего. Пока не остановились на газопаровой смеси, образующейся при смешении 10%-го раствора перманганата калия и 95%-ной перекиси водорода. При этом образуется смесь кислорода, паров воды и минеральных примесей, имеющая давление до 150 атмосфер и температуру до 250оС. Смесь и приводит в действие турбину насоса.

В последствии, осевые компрессоры для подачи топлива и окислителя в сопловый блок стали питать той же парой топливо-окислитель, что и сопловый блок. Отработавшие газы выбрасываются в диффузор соплового блока по боковому патрубку.

Перекись водорода не нашла применение для окисления ракетных топлив, но, прекрасно зарекомендовала себя на перекисных торпедах. Где перекись водорода используется для окисления спирта или керосина для получения газопаровой смеси для вращения турбины гребного винта. Отработавшие газы выбрасываются за борт торпеды. Если пропорция подобрана правильно (отрегулирована система подачи), то торпеда практически не оставляет пузырькового следа. Впрочем, о торпедах как-нибудь в другой раз.

Кислород, в отличие от перекиси водорода, получил существенное применение во взрывном деле. Появившиеся еще в 20-е годы прошлого столетия, оксиликвиты стали наиболее дешевыми и одними из самых безопасных промышленных ВВ. Оксиликвиты представляют собой пористое горючее вещество (фрезерный торф, древесные опилки, сенная труха, пудры металлов, древесный уголь, пудра каменного угля, старая х.-б. ткань и многое другое), обычно используется смесь нескольких топлив. Топливо "пропитывают” жидким кислородом и подрывают при помощи достаточно мощного детонатора или воспламенителя. Дело в том, что оксиликвиты, в отличие от бризантных ВВ, не требуют детонатора, им, подчас достаточно искры.

Оксиликвиты относятся к мощным ВВ. Посудите сами, смесь чистейшего окислителя с высокоэнергетическим топливом. Для профилактики несчастных случаев при самовоспламенении топливных компонентов в жидком кислороде, наполнение шурфа кислородом производится дистанционно, по шлангу. По окончанию заполнения кислород отключают и сразу производят подрыв. Оксиликвиты имеют высокую фугасность, но, недостаточную бризантность, поэтому их используют для грунтовых работ и карьерных разработок на открытом грунте. Подробнее об оксиликвитах поговорим в соответствующем разделе.

Окислительные свойства кислорода также широко применяются для сварки и резки металлов, а также, для окисления жидкого ракетного топлива. Для внесения дополнительной ясности, разберем некоторые тонкости горения. Как мы знаем из школьного курса, существует три метода теплопередачи: теплопроводность, лучистый перенос и конвекция (обдув нагретого тела подвижной газовой средой). Температура нагретого тела зависит от баланса двух процессов: подвод тепла и отвод тепла. Если подвод превышает отвод тепла, то тело нагревается, если наоборот – охлаждается. Если Вы накроете листом стекловаты электроплитку и включите ее (опыт мысленный, повторять настоятельно не рекомендую в связи с опасностью для жизни и здоровья), то, через несколько минут она перегорит. Это произойдет от того, что подвод тепла от нагревательных элементов превышал отвод тепла во внешнюю среду из-за теплоизоляционного слоя. Если представить себе случай крайне термостойкого нагревательного элемента и эффективного теплоизолятора, то, в данных условиях можно получить любую температуру.

Как известно, наибольшая из известных человечеству температур (около 30 тысяч градусов Цельсия) наблюдается ближе к центральной части Солнца. Это связано с интенсивным подводом тепла от термоядерных реакций и теплоизолирующего действия многокилометрового слоя плазмы. Температура на поверхности Солнца составляет всего около 7 тысяч градусов Цельсия.

При горении, например, древесного угля, происходит сравнительно медленное окисление углерода кислородом воздуха при его конвективном движении вдоль поверхности. Если мы измельчим уголь и ускорим конвекцию (подуем), то сгорание произойдет значительно быстрее. При этом, подвод тепла ускорится, но и отвод тоже. В виде уноса тепла с продуктами сгорания. В воздухе содержится около 70% по объему азота. Он не участвует в процессе горения, но, нагревается в зоне горения и уносит оттуда тепло. Таким образом, если мы используем для сжигания любого топлива чистый 100% кислород, то, температура в зоне горения будет намного выше, чем для сжигания в воздухе. Этим пользуются при газовой сварке и резке металлов, кислородной конверсии, в доменном процессе (обогащение воздуха выше 40% кислорода приведет к быстрому оплавлению и растрескиванию футеровки печи) и других огневых работах.

Для окисления ракетного топлива используют жидкий кислород по причине его небольшой массы, по сравнению с требуемым количеством воздуха.

Таким образом, жидкий кислород производится современной промышленностью в огромных количествах и используется, почти исключительно, для процессов окисления. Это и дыхательные аппараты для подводников и космонавтов, и газопламенная обработка металлов, и взрывные работы, и реактивные аппараты, химический синтез и многое другое.

Категория: Химия элементов | Просмотров: 2158 | Добавил: Chemadm | Теги: окислители, Горение, дыхание | Рейтинг: 4.4/28
Всего комментариев: 3
1
1  
Существует также высокоактивная форма кислорода в синглетном состоянии.
Н.В. Шинкаренко, В.Б. Алесковский. Синглетный кислород, методы получения и обнаружения. Успехи химии, 1981, Т.50, №3, С. 406-428.

0
2  
Фактически, синглетное состояние кислорода это разновидность аэроионов, образующихся из молекулярного кислорода при активации под действием внешнего источника энергии (чаще всего это электрические разряды, радиоактивное или ультрафиолетовое излучение). Вполне доступным языком о них кратко было сказано ранее.

      Благодарю за дополнение.

1
3  
Да. Применение синглетного кислорода для оздоровления всего сейчас модно. Однако у него есть и другие сферы применения, например, кислород-йодные лазеры.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]