Роль кислорода в природе и технике

III. Нахождение кислорода в природе

.

     Кислород  самый распространенный элемент  на нашей планете. Он входит в состав воды (88,9%), а ведь она покрывает  ²/з поверхности земного шара, образуя его водную оболочку гидросферу. Кислород вторая по количеству и первая по значению для жизни составная часть воздушной оболочки Земли атмосферы, где на его долю приходится 21% (по объему) и 23,15% (по массе). Кислород входит в состав многочисленных минералов твердой оболочки земной коры литосферы: из каждых 100 атомов земной коры на долю кислорода приходится 58 атомов.

     Как вы уже знаете, обычный кислород существует в форме О₂. Это газ без цвета, запаха и вкуса. В жидком состоянии имеет светло-голубую окраску, в твердом синюю. В воде газообразный кислород растворим лучше, чем азот и водород. 

3.1 В составе простых веществ.

     Кислород  взаимодействует почти со всеми  простыми веществами, кроме галогенов, благородных газов, золота и платиновых металлов. Например, энергично реагирует с металлами: щелочными, образуя оксиды М₂О и пер оксиды М₂О₂; с железом, образуя железную окалину Ге₃О₄; с алюминием, образуя оксид А1₂О₃.

     Реакции неметаллов с кислородом протекают  очень часто с выделением большого количества тепла и сопровождаются воспламенением реакции горения. Вспомните горение серы с образованием SО₂, фосфора с образованием Р₂О₅ или угля с образованием СО₂.

     Почти все реакции с участием кислорода  экзотермические. Исключение составляет взаимодействие азота с кислородом: это эндотермическая реакция, которая протекает при температуре выше 1200 °С или при электрическом разряде:

N₂ + O₂                  2NO –Q  
 

3.2 В составе сложных веществ

     Кислород  энергично окисляет не только простые, но и сложные вещества, при этом образуется оксиды элементов, из которых они построены.

СН₄  + 2О₂ = 2Н₂О + СО₂

Метан

2Н₂S + ЗО₂ = 2SО2 + 2Н₂О

     Высокая окислительная способность кислорода  лежит в основе горения всех видов  топлива.

     Кислород  участвует и в процессах медленного окисления различных веществ при обычной температуре. Эти процессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи в нашем организме является источником энергии, за счет которой живет организм. Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре. Окисленный гемоглобин оксигемоглобин доставляет во все ткани и клетки организма кислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для деятельности организма.

     Исключительно важна роль кислорода в процессе дыхания человека и животных.

     Растения  также поглощают атмосферный  кислород. Но если в темноте идет только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает еще один противоположный ему процесс — фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений. 
 
 
 
 
 

IV. Положение в таблице Д.И. Менделеева, строение. 

     В центре атома кислорода находится ядро с зарядом +8, ядро состоит из 8 протонов и (16-8)= 8 нейтронов вокруг ядра вращается 12 электронов.

О-О;

О    О

1. 1 S²            
2. 2 S² P⁴              

 

     Для завершения внешнего энергетического  уровня кислороду не хватает двух электронов. Энергично принимая их кислород проявляет степень окисления, равную –2. Однако в соединениях кислорода со фтором, общая электронная пара смещена по фтору как к более электроотрицательному элементу, В этом случае степень окисления кислорода равна + 2, а фтора + 2 . в пер оксиде водорода H₂O₂  и его производных степеней окисления равна – 1. В соединениях со всеми другими электронами окислительность кислорода отрицательна и равна – 2. 
 

V. Сравнение окислительно-восстановительных свойств и размера ядра кислорода с элементами стоящими с ним в той же подгруппе, группе и периоде. 

     В своей группе у кислорода самая  маленькая орбита. Принять электроны  ему легче всех, отдать труднее. Самая  маленькая орбита у него потому, что он стоит во 2 периоде и  следовательно у него меньше всех электронных слоев. Принять недостающих электрон легче потому что, у него лучше связь атома с электроном, чем у остальных элементов этой группы. И отдать труднее потому что, тоже связь с электрона с ядром на последнем слое сильней, чем у остальных элементов этой группы.

     У кислорода ядро меньше чем у Li, Be, B, C, N, но больше чем у F, потому что число элекроных слоев у них одинаковы, а количество электронов на последнем слое разное. У кислорода электроны больше чем у Li, Be, B, C, N значит связь электронов с ядром больше и радиус меньше. У кислорода восстановительные свойства больше, чем у Li, Be, B, C, N и принять недостающий электрон ему легче, по меньше чем у фтора, которому принять недостающий электрон еще легче, чем кислороду.  

VI. Получение кислорода  

6.1 В лаборатории

     Кислород  в лаборатории получают путем  разложения пероксида водорода (H₂O₂) в присутствии катализатора- диоксида марганца (Mn O₂) , а также разложением перманганата калия (KMn O₄) при нагревание.

 

6.2 В промышленности 

  Так как горением в  таком газе можно  получить очень высокие  температуры, полезные во многих... применениях, то быть может, что  придет время, когда  указанным путем  станут на заводах  и вообще для промышленности обогащать воздух кислородом.

Д.И. Менделеев 

     Попытки создать более или менее мощную кислородную промышленность предпринимались  еще в прошлом веке в. многих странах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция; огромного  размера»...

     В Советском Союзе особенно быстрое  развитие кислородной промышленности началось в годы Великой Отечественной войны, после изобретения академиком Л.П.Капицей турбодетандера и создания мощных воздухоразделительных установок.

     Еще Карл Шееле получал кислород, по меньшей мере, пятью способами: из окиси ртути, сурика, селитры, азотной кислоты и пиролюзита. На подводных лодках и сейчас получают кислород, разлагая богатые этим элементом хлораты и перхлораты. В любой школьной лаборатории демонстрируют опыт – разложение воды на кислород и водород электролизом. Но ни один из этих способов не может удовлетворить потребности промышленности в кислороде.

      Энергетически проще всего получить элемент  №8 из воздуха, поскольку воздух –  не соединение, и разделить воздух не так уж трудно. Температуры кипения  азота и кислорода отличаются (при атмосферном давлении) на 12,8°C. Следовательно, жидкий воздух можно разделить на компоненты в ректификационных колоннах так же, как делят, например, нефть. Но чтобы превратить воздух в жидкость, его нужно охладить до минус 196°C. Можно сказать, что проблема получения кислорода – это проблема получения холода.

     Чтобы получать холод с помощью обыкновенного  воздуха, последний нужно сжать, а затем дать ему расшириться  и при этом заставить его производить  механическую работу. Тогда в соответствии с законами физики воздух обязан охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называют детандерами.

     До 1938г. для получения жидкого воздуха  пользовались только поршневыми детандерами. По существу, такой детандер – это  аналог паровой машины, только работает в нем не пар, а сжатый воздух. Чтобы получить жидкий воздух с помощью таких детандеров, нужны были давления порядка 200 атм., причем по неизбежным техническим причинам на разных стадиях процесса давление было не одинаковым: от 45 до 200 атм. КПД установки был немногим выше, чем у паровой машины. Установка получилась сложной, громоздкой, дорогой.

     В конце 30-х годов советский физик  академик П.Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Идея – не новая, ее еще в конце прошлого века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д. «докапицынских» турбин для сжижения воздуха был невысок. Поэтому небольшие турбодетандеры лишь выполняли кое-какую подсобную работу при поршневых детандерах.

     Капица  создал новую конструкцию, которая, по словам изобретателя, была «как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной». Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежных сил.

     Такая конструкция турбины позволила  поднять к.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, кроме того, турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого  всего лишь до нескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм. получить намного проще и дешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, что энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока.

     Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у нас, но и во всем мире.

     Первый  опытный образец турбодетандера был невелик. Его ротор восьми сантиметров в диаметре весил всего 250г. Но, как писал П.Л. Капица в 1939г., «экспериментальная эксплуатация этого турбодетандера показала, что он является надежным и очень простым механизмом. Технический к.п.д. получается 0,79...0,83». И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.

     В 1942г. построили подобную, но уже намного  более мощную установку, которая  производила до 200кг жидкого кислорода  в час. В конце 1944г. вводится в  строй самая мощная в мире турбо  кислородная установка, производящая в 6...7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3...4 раза меньшую площадь.

     Современный блок разделения воздуха БР-2, в конструкции  которого также использован турбодетандер, мог бы за сутки работы снабдить тремя литрами газообразного кислорода каждого жителя СССР.

     30 апреля 1945 г. Михаил Иванович Калинин  подписал Указ о присвоении  академику П. Л. Капице звания  Героя Социалистического Труда  «за успешную разработку нового  турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбо кислородной установки».

VII Физические свойства

При нормальных условиях кислород это газ без цвета, вкуса и запаха. 1л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100г при 0 °C, 2,09 мл/100г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 °C). Является парамагнетиком. При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %. Жидкий кислород (темп. кипения −182,98 °C) это бледно-голубая жидкость. Твердый кислород (темп. плавления −218,79 °C) — синиекристаллы. Известны шесть кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1атм.:

• α-О₂ — существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии. β-О₂ — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку.
• γ-О₂ — существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеюткубическую симметрию.