Кислород

(далее К)(латинское Oxygenium), О, элемент группы периодической системы номер 8, масса 15,9994. При нормальных условиях К — газ без цвета, запаха и вкуса. Трудно назвать другой элемент, который играл бы на нашей планете такую важную роль, как К
Историческая справка. Процессы горения и дыхания издавна привлекали внимание ученых. Первые указания на то, что не весь воздух, а лишь "активная" его часть поддерживает горение, обнаружены в китайских рукописях 8 в. Много позже Леонардо да Винчи (1452—1519) рассматривал воздух как смесь двух газов, лишь один из которых расходуется при горении и дыхании. Окончательное открытие двух главных составных частей воздуха — азота и К сделавшее эпоху в науке, произошло только в конце 18 в. (см. Химия, Исторический очерк). К получили почти одновременно К Шееле (1769—70) путем прокаливания селитр (₃, ₃), двуокиси ₂и других веществ и Дж. Пристли (1774) при нагревании сурика ₃₄ и окиси . В 1772 Д. Резерфорд открыл В 1775 А. Лавуазье, произведя количественный анализ воздуха, нашел, что он "состоит из двух (газов) различного и, так сказать, противоположного характера", т. е. из К и На основе широких экспериментальных исследований Лавуазье правильно объяснил горение и дыхание как процессы взаимодействия веществ с К Поскольку К входит в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygene, т. е. "образующий кислоты" (от греческого oxýs — кислый и gennáo — рождаю; отсюда и русское название "кислород").

Распространение в природе. К — самый распространенный элемент на Земле. Связанный К составляет около ⁶/₇ массы водной оболочки Земли — гидросферы (85,82% по массе), почти половину литосферы (47% по массе), и только в атмосфере, где К находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе) после
К стоит на первом месте и по числу образуемых им минералов (1364); среди минералов, содержащих К преобладают силикаты (полевые шпаты, слюды и др.), кварц, окислы карбонаты и сульфаты. В живых организмах в среднем около 70% К он входит в состав большинства важнейших органических соединений ( жиров, углеводов и т.д.) и в состав неорганических соединений скелета. Исключительно велика роль свободного К в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. За исключением некоторых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счет окисления биологического различных веществ с помощью К
Вся масса свободного К Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и Мирового океана, выделяющих К в процессе фотосинтеза. На земной поверхности, где протекает фотосинтез и господствует свободный К формируются резко окислительные условия. Напротив, в магме, а также глубоких горизонтах подземных вод, в илах морей и озер, в болотах, где свободный К отсутствует, формируется восстановительная среда. Окислительно-восстановительные процессы с участием К определяют концентрацию многих элементов и образование месторождений полезных ископаемых — угля, нефти, серы, руд меди и т.д. (см. Круговорот веществ). Изменения в круговорот К вносит и хозяйственная деятельность человека. В некоторых промышленных странах при сгорании топлива расходуется К больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе. Всего же на сжигание топлива в мире ежегодно потребляется около 9·10⁹ т К
Изотопы, молекула. К имеет три устойчивых изотопа: ¹⁶О, ¹⁷ и ¹⁸, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759%, 0,037% и 0,204% от общего числа К на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее легкого из них ¹⁶ связано с тем, что ядро ¹⁶ состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, как следует из теории ядра, обладают особой устойчивостью.

В соответствии с положением К в периодической системе элементов электроны К располагаются на двух оболочках: 2 — на внутренней и 6 — на внешней (конфигурация 1s²2s²2p⁴см. Атом). Поскольку внешняя оболочка К не заполнена, а потенциал ионизации и сродство к электрону составляют соответственно 13,61 и 1,46 эв, К в соединениях обычно приобретает электроны и имеет отрицательный эффективный заряд. Напротив, крайне редки соединения, в которых электроны отрываются (точнее оттягиваются) от К (таковы, например, ₂, ₂₂). Раньше, исходя единственно из положения К в периодической системе, К в окислах и в большинстве других соединений приписывали отрицательный заряд (—2). Однако, как показывают экспериментальные данные, ион ^2- не существует ни в свободном состоянии, ни в соединениях, и отрицательный эффективный заряд К практически никогда существенно не превышает единицы.

В обычных условиях молекула К двухатомна (₂); в тихом электрическом разряде образуется также трехатомная молекула ₃ — озон; при высоких давлениях обнаружены в небольших количествах молекулы ₄ Электронное строение ₂ представляет большой теоретический интерес. В основном состоянии молекула ₂ имеет два неспаренных электрона; для нее неприменима "обычная" классическая структурная формула О=О с двумя двухэлектронными связями (см. Валентность). Исчерпывающее объяснение этого факта дано в рамках теории молекулярных орбиталей. Энергия ионизации молекулы К (₂ — е®О₂⁺) составляет 12,2 эв, а сродство к электрону (₂ + е ® ₂^-) — 0,94 эв. Диссоциация молекулярного К на при обычной температуре ничтожно мала, она становится заметной лишь при 1500 °С; при 5000 °С молекулы К почти полностью диссоциированы на
Физические свойства. К — бесцветный газ, сгущающийся при —182,9 °С и нормальном давлении в бледно-синюю жидкость, которая при —218,7 °С затвердевает, образуя синие Плотность газообразного К (при 0°С и нормальном давлении) 1,42897 г/л. Критическая температура К довольно низка t_kpит = —118,84 °С), т. е. ниже, чем у ₂, ₂, ₂ и некоторых других газов; Р_крит = 4,97 Мн/м² (49,71 am). Теплопроводность (при 0 °С) 23,86Ч10^-3 вт/(м·К), т. е. 57Ч10^-6 кал/сек·см·°С). Молярная теплоемкость (при 0 °С) в дж/(моль·К) С_р = 28,9, _v = 20,5; в кал/(моль· ^o) С_р = 6,99, _v = 4,98; _p/_v = 1,403. Диэлектрическая проницаемость газообразного К 1,000547 (0 °С), жидкого 1,491. Вязкость 189 мпуаз (0 °С). К мало растворим в воде: при 20 °С и 1 am в 1 м³ воды растворяется 0,031 м³, а при 0 °С — 0,049 м³ К Хорошими твердыми поглотителями К являются чернь и активный древесный
свойства. К образует соединения со всеми элементами, кроме легких инертных газов. Будучи наиболее активным (после неметаллом, К взаимодействует с большинством элементов непосредственно; исключение составляют тяжелые инертные газы, галогены, и их соединения с К получают косвенным путем. Почти все реакции К с другими веществами — реакции окисления экзотермичны, т. е. сопровождаются выделением энергии. С водородом при обычных температурах К реагирует крайне медленно, выше 550 °С эта реакция идет со взрывом: 2Н₂ + ₂ = 2₂. С серой, углеродом, азотом, фосфором К взаимодействует при обычных условиях очень медленно. При повышении температуры скорость реакции возрастает и при некоторой, характерной для каждого элемента температуре воспламенения начинается горение. Реакция с К благодаря особой прочности молекулы ₂ эндотермична и становится заметной лишь выше 1200 °С или в электрическом разряде: ₂+₂ = 2. К активно окисляет почти все металлы, особенно легко — щелочные и щелочноземельные. Активность взаимодействия металла с К зависит от многих факторов — состояния поверхности металла, степени измельчения, присутствия примесей (см. Алюминий, Железо, Хром и т.д.).

В процессе взаимодействия вещества с К исключительно важна роль воды. Например, даже такой активный металл, как калий, с совершенно лишенным влаги К не реагирует, но воспламеняется в К при обычной температуре в присутствии даже ничтожных количеств паров воды. Подсчитано, что в результате коррозии ежегодно теряется до 10% всего производимого металла.

Окиси некоторых металлов, присоединяя К образуют перекисные соединения, содержащие 2 или более связанных между собой К Так, перекиси ₂₂ и ВаО₂ включают перекисный ион ₂^2-, надперекиси ₂ и ₂ — ион ₂^-, а озониды ₃, ₃, ₃ и ₃ — ион ₃^-. К экзотермически взаимодействует со многими сложными веществами. Так, аммиак горит в К в отсутствии катализаторов, реакция идет по уравнению: 4₃ + 3₂ = 2₂ + 6Н₂О. Окисление аммиака в присутствии катализатора дает (этот процесс используют при получении азотной кислоты). Особое значение имеет горение углеводородов (природного газа, бензина, керосина) — важнейший источник тепла в быту и промышленности, например СН₄+2О₂= СО₂+2Н₂О. Взаимодействие углеводородов с К лежит в основе многих важнейших производственных процессов — такова, например, так называемая конверсия метана, проводимая для получения 2СН₄+О₂+2Н₂О=2СО₂+6Н₂ (см. Конверсия газов). Многие органические соединения (углеводороды с двойной или тройной связью, альдегиды, фенолы, а также скипидар, высыхающие масла и др.) энергично присоединяют К Окисление К питательных веществ в клетках служит источником энергии живых организмов.

Получение. Существует 3 основных способа получения К электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха).

способ изобретен ранее других. К можно получать, например, из бертолетовой соли ₃, которая при нагревании разлагается, выделяя ₂ в количестве 0,27 м³ на 1 кг соли. Окись при нагревании до 540 °С сначала поглощает К из воздуха, образуя перекись ₂, а при последующем нагревании до 870 °С ₂ разлагается, выделяя чистый К Его можно получать также из ₄, ₂₄, ₂₂₇ и других веществ при нагревании и добавлении катализаторов. способ получения К малопроизводителен и дорог, промышленного значения не имеет и используется лишь в лабораторной практике.

Электролизный способ состоит в пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения ее электропроводности добавлен раствор едкого натра . При этом вода разлагается на К и К собирается около положительного электрода электролизера, а — около отрицательного. Этим способом К добывают как побочный продукт при производстве Для получения 2 м³ и 1 м³ К затрачивается 12—15 квт·ч электроэнергии.

Разделение воздуха является основным методом получения К в современной технике. Осуществить разделение воздуха в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде сжижают, а затем уже разделяют на составные части. Такой способ получения К называют разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (—180 °С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого и жидкого К основано на различии температуры кипения его компонентов (t_kип ₂ 90,18 К (—182,9 °С), t_kип ₂ 77,36 К (—195,8 °С)). При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно а остающаяся жидкость все более обогащается К Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн (см. Ректификация), получают жидкий К нужной чистоты (концентрации). В СССР выпускают мелкие (на несколько л) и самые крупные в мире воздухоразделительные установки (на 35000 м³/ч К Эти установки производят технологический К с концентрацией 95—98,5%, технический — с концентрацией 99,2—99,9% и более чистый, медицинский К выдавая продукцию в жидком и газообразном виде. Расход электрической энергии составляет от 0,41 до 1,6 квт·ч/м³.

К можно получать также при разделении воздуха по методу избирательного проницания (диффузии) через перегородки-мембраны. Воздух под повышенным давлением пропускается через стеклянные или пластиковые перегородки, структурная решетка которых способна пропускать молекулы одних компонентов и задерживать другие. Этот способ получения К пока (1973) используется лишь в лабораториях.

Газообразный К хранят и транспортируют в стальных баллонах и ресиверах при давлении 15 и 42 Мн/м² (соответственно 150 и 420 бар, или 150 и 420 am), жидкий К — в металлических сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках. Для транспортировки жидкого и газообразного К используют также специальные трубопроводы. баллоны окрашены в голубой цвет и имеют черную надпись "кислород".

Применение. Технический К используют в процессах газопламенной обработки металлов, в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации и др., а также в авиации, на подводных судах и пр. Технологический К применяют в промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, перекисей металлов и др. продуктов. Жидкий К применяют при взрывных работах (см. Оксиликвиты), в реактивных двигателях и в лабораторной практике в качестве хладагента.

Заключенный в баллоны чистый К используют для дыхания на больших высотах, при комических полетах, при подводном плавании и др. В медицине К дают для вдыхания тяжелобольным, применяют для приготовления водяных и воздушных (в палатках) ванн, для внутримышечного введения и т.п. (см. Кислородная терапия).

В. Л. Василевский, И. П. Вишнев, А. И. Перельман.

К в металлургии широко применяется для интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздуха изменила химизм процессов, их теплотехнические параметры и технико-экономические показатели. дутье позволило сократить потери тепла с уходящими газами, значительную часть которых при воздушном дутье составлял Не принимая существенного участия в процессах, замедлял течение реакций, уменьшая концентрацию активных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке К снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих специальное техническое применение) и др.

Первые опыты по применению дутья, обогащенного К в доменном производстве для выплавки передельного чугуна и ферромарганца были проведены одновременно в СССР и в 1932—33. Повышенное содержание К в доменном дутье сопровождается большим сокращением расхода последнего, при этом увеличивается содержание в доменном газе окиси и повышается его теплота сгорания. Обогащение дутья К позволяет повысить производительность доменной печи, а в сочетании с газообразным и жидким топливом, подаваемым в горн, приводит к снижению расхода кокса. В этом случае на каждый дополнительный процент К в дутье производительность увеличивается примерно на 2,5%, а расход кокса снижается на 1%.

К в мартеновском производстве в СССР сначала использовали для интенсификации сжигания топлива (в промышленном масштабе К для этой цели впервые применили на заводах "Серп и молот" и "Красное Сормово" в 1932—33). В 1933 начали вдувать К непосредственно в жидкую ванну с целью окисления примесей в период доводки. С повышением интенсивности продувки расплава на 1 м³/т за 1 ч производительность печи возрастает на 5—10%, расход топлива сокращается на 4—5%. Однако при продувке увеличиваются потери металла. При расходе К до 10 м³/т за 1 ч выход стали снижается незначительно (до 1%). В мартеновском производстве К находит все большее распространение. Так, если в 1965 с применением К в мартеновских печах было выплавлено 52,1% стали, то в 1970 уже 71%.

Опыты по применению К в электросталеплавильных печах в СССР были начаты в 1946 на заводе "Электросталь". Внедрение дутья позволило увеличить производительность печей на 25—30%, снизить удельный расход электроэнергии на 20—30%, повысить качество стали, сократить расход электродов и некоторых дефицитных легирующих добавок. Особенно эффективной оказалась подача К в электропечи при производстве нержавеющих сталей с низким содержанием выплавка которых сильно затрудняется вследствие науглероживающего действия электродов. Доля электростали, получаемой в СССР с использованием К непрерывно растет и в 1970 составила 74,6% от общего производства стали.

В ваграночной плавке обогащенное К дутье применяется главным образом для высокого перегрева чугуна, что необходимо при производстве высококачественного, в частности высоколегированного, литья ( и т.д.). В зависимости от степени обогащения К ваграночного дутья на 30—50% снижается расход топлива, на 30—40% уменьшается содержание серы в металле, на 80—100% увеличивается производительность вагранки и существенно (до 1500 °С) повышается температура выпускаемого из нее чугуна.

О значении К в конвертерном производстве см. в ст. Кислородно-конвертерный процесс.

К в цветной металлургии получил распространение несколько позже, чем в черной. Обогащенное К дутье используется при конвертировании штейнов, в процессах шлаковозгонки, вельцевания, агломерации и при отражательной плавке концентратов. В и производстве дутье интенсифицировало процессы шахтной плавки, позволило снизить расход кокса на 10—20%, увеличить проплав на 15—20% и сократить кол-во флюсов в отдельных случаях в 2—3 раза. Обогащение К воздушного дутья до 30% при обжиге сульфидных концентратов увеличило производительность процесса на 70% и уменьшило объем отходящих газов на 30%. Разрабатываются новые высокоэффективные процессы плавки сульфидных материалов с применением чистого К плавка в факеле, конвертирование штейнов в вертикальных конвертерах, плавка в жидкой ванне и др.

С. Г. Афанасьев.

Лит.: Чугаев Л. А., Открытие и теория горения в связи с философскими учениями древнего мира, Избр. труды, т. 3, М., 1962, с. 350; Коттон Ф., Уилкинсон Дж., Современная неорганическая пер. с англ., т. 1—3, М., 1969; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 1, М., 1965; Справочник, под ред. Д. Л. Глизманенко, ч. 1—2, М., 1967; Разделение воздуха методом глубокого охлаждения, под ред. В. И. Епифановой, Л. С. Аксельрода, т. 1—2, М., 1964; Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения, М. — Л., 1963.

		Новости 22.12.2024 22:16:27

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.