Ядерное горение кислорода

Реакция горения.

           Горение топлива есть одна из форм окисления, т.е. соединения вещества с кислородом. Окисление может протекать различно. Медленное соединение вещества с кислородом называется собственно окислением. Примером процесса более быстрого окисления является реакция горения или горение. Наконец в случае мгновенного соединения горючих с кислородом может произойти взрыв.

          Окисление сопровождается выделением определенного количества тепла. При медленном окислении это тепло постепенно рассеивается, не создавая заметного повышения температуры. При взрыве теплота реакции горения выделятся практически мгновенно, что приводит к бстрому расширению газов.

Горение углеводородных газов СmHn в кислороде может быть выражено в общем виде уравнением

                  СmHn  + (m+n/4)O2 = mCO2 + (n/2) H2O.

        Как известно, чаще всего сжигание газов происходит не в чистом кислороде, а в кислороде воздуха. В воздухе на 21 объем кислорода приходится 79 объемов азота ( если пренебречь незначительным количеством СО2 и редких газов), или на 23,3 массовых частей кислорода приходится 79 : 21 = 3,76 м³ азота, или 1 м³ кислорода содержится в 100 : 21 = 4,76 м³ воздуха.

        В связи с указанным приведенное уравнение реакции горения углеводородных газов в атмосфере воздуха можно написать в виде

 СmHn  + (m+n/4)O2 + 3,76N2) = mCO2 + (n/2) H2O + (m +n/4) 3.76 N2.

         Начально и конечное состояние реакций реакций горения распространенных газов представлены уравнениями, приведенными в табл. 1 и табл.2

                                           Таблица 1

                  Реакция горения горючих газов в кислороде.

                        Газ

Реакция горения

Метан

СН4 + 2О2→ СО2 + Н2О

Этилен

С2Н4 + 3О2 → 2СО2 + 2Н2О

Этан

С2Н6 + 3,5О2 → 2СО2 + 3Н2О

Пропилен

С3Н6 + 4,5О2 → 3СО2 + 3Н2О

Пропан

С3Н8 + 5О2 → 3СО2 + 4Н2О

н-Бутилен и изобутилен

С4Н8 + 6О2 → 4СО2 + 4Н2О

н-Бутан и изобутан

С4Н10 + 6,5О2 → 4СО2 + 5Н2О

н-Пентан

С5Н12 + 8О2 → 5СО2 + 6Н2О

   Таблица 2

                         Реакция гоения горючих газов в воздухе.

      Газ

            Реакция горения

Метан

СН4 + 2О2 + 7,52N2 → СО2 + 2Н2О + 7,52N2

Этилен

С2Н4 + 3О2 + 11,28N2 → 2СО2 + 2Н2О + 11,28N2

Этан

С2Н6 + 3,5О2 + 13,16N2 → 2СО2 + 3Н2О + 13,16N2

Пропилен

С3Н6 + 4,5О2 + 16,92N2 → 3СО2 + 3Н2О + 16,92N2

Пропан

С3Н8 + 5О2 + 18,8N2 → 3СО2 + 4Н2О + 18,8N2

н-Бутилен и изобутилен

С4Н8 + 6О2 + 22,56N2 → 4СО2 + 4Н2О + 22,56N2

н-Бутан и изобутан

С4Н10 + 6,5О2 + 24,44N2 → 4СО2 + 5Н2О + 24,44N2

н-Пентан

С5Н12 + 8О2 + 30,08N2 → 5СО2 + 6Н2О + 30,08N2

Применение

Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.

В металлургии

Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь.

Компонент ракетного топлива

В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения.
Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).

В медицине

Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0 литров под давлением до 15 МПа (150 атм) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания, для купирования приступа бронхиальной астмы, устранения гипоксии любого генеза, при декомпрессионной болезни, для лечения патологии желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей. Крупные медицинские учреждения могут использовать не сжатый кислород в баллонах, а сжиженный в сосуде Дьюара большой ёмкости. Для индивидуального применения медицинским кислородом из баллонов заполняют специальные прорезиненные ёмкости — кислородные подушки. Для подачи кислорода или кислородо-воздушной смеси одновременно одному или двум пострадавшим в полевых условиях или в условиях стационара применяются кислородные ингаляторы различных моделей и модификаций. Достоинством кислородного ингалятора является наличие конденсатора-увлажнителя газовой смеси, использующего влагу выдыхаемого воздуха. Для расчёта оставшегося в баллоне количества кислорода в литрах обычно величину давления в баллоне в атмосферах (по манометру редуктора) умножают на величину ёмкости баллона в литрах. Например, в баллоне вместимостью 2 литра манометр показывает давление кислорода 100 атм. Объём кислорода в этом случае равен 100 × 2 = 200 литров.

В пищевой промышленности

В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E948, как пропеллент и упаковочный газ.

В химической промышленности

В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах, например, — окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кислоты), диоксид серы в триоксид серы, аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты. Вследствие высоких температур, развивающихся при окислении, последние часто проводят в режиме горения.

В сельском хозяйстве

В тепличном хозяйстве, для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.

Физические свойства

В мировом океане содержание растворённого O2 больше в холодной воде, а меньше — в тёплой

Жидкий кислород

При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.

1 л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 0 °C, 2,09 мл/100 г при +50 °C) и спирте (2,78 мл/100 г при +25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при +961 °C). Хорошо растворяется в перфторированных углеводородах (20-40 об/об %).

Межатомное расстояние — 0,12074 нм. Является парамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом.

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 (температура кипения −182,98 °C) — это бледно-голубая жидкость.

Фазовая диаграмма O2

Твёрдый кислород (температура плавления −218,35 °C) — синие кристаллы. Известны 6 кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:

  • α-O2 — существует при температуре ниже 23,65 K; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейки a=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53°.
  • β-O2 — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 K; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å, α=46,25°.
  • γ-O2 — существует при температурах от 43,65 до 54,21 K; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å.

Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:

  • δ-O2 — интервал температур 20—240 K и давление 6—8 ГПа, оранжевые кристаллы;
  • ε-фаза, содержит молекулы O4 или O8, существует при давлении от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от тёмно-красного до чёрного, моноклинная сингония;
  • ζ-On — давление более 96 ГПа, металлическое состояние с характерным металлическим блеском, при низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние.

Химические свойства

Кислород является химически активным веществом. Он способен вступать в реакции с множеством других веществ, однако для протекания большинства этих реакций необходима более высокая, чем комнатная, температура. При нагревании кислород реагирует с неметаллами и металлами.

Если стеклянную колбу наполнить кислородом и внести в нее ложечку с горящей серой, то сера вспыхивает с образованием яркого пламени и быстро сгорает (рис. 80).

Химическую реакцию, протекающую в этом случае, можно описать следующим уравнением:

В результате реакции образуется вещество SO2, которое называется сернистым газом. Сернистый газ имеет резкий запах, который вы ощущаете при зажигании обычной спички. Это говорит о том, что в состав головки спички входит сера, при горении которой и образуется сернистый газ.

Подожженный красный фосфор в колбе с кислородом вспыхивает еще ярче и быстро сгорает, образуя густой белый дым (рис. 81).

При этом протекает химическая реакция:

Белый дым состоит из маленьких твердых частиц продукта реакции — P2O5.

Если в колбу с кислородом внести тлеющий уголек, состоящий в основном из углерода, то он также вспыхивает и сгорает ярким пламенем (рис. 82).

Протекающую химическую реакцию можно представить следующим уравнением:

Продуктом реакции является CO2, или углекислый газ, с которым вы уже знакомы. Доказать образование углекислого газа можно, добавив в колбу немного известковой воды. Помутнение свидетельствует о присутствии CO2 в колбе.

Возгорание уголька можно использовать для отличия кислорода от других газов. Если в сосуд (колбу, пробирку) с газом внести тлеющий уголек и он вспыхнет, то это указывает на наличие в сосуде кислорода.

Кроме неметаллов, с кислородом реагируют и многие металлы. Внесем в колбу с кислородом раскаленную стальную проволоку, состоящую в основном из железа. Проволока начинает ярко светиться и разбрасывать в разные стороны раскаленные искры, как при горении бенгальского огня (рис. 83).

При этом протекает следующая химическая реакция:

В результате реакции образуется вещество Fe3O4 (железная окалина). В состав формульной единицы этого вещества входят три атома железа, причем один из них имеет валентность II, а два других атома имеют валентность III. Поэтому формулу этого вещества можно представить в виде FeO * Fe2O3.

Реакцию железа с кислородом используют для резки стальных изделий. Для этого определенный участок детали сначала нагревают с помощью кислородногазовой горелки. Затем направляют на нагретое место струю чистого кислорода, для чего перекрывают кран поступления горючего газа в горелку. Нагретое до высокой температуры железо вступает в химическую реакцию с кислородом и превращается в окалину. Так можно разрезать очень толстые железные детали.

Количество выделяемой теплоты

В рамках вопроса температуры горения водорода любопытно также привести данные о количестве энергии, которая выделяется во время этой реакции. Для разных условий и составов горючей смеси получили значения от 119 МДж/кг до 141 МДж/кг. Чтобы понять, насколько это много, отметим, что аналогичное значение для бензиновой смеси составляет около 40 МДж/кг.

Энергетический выход водородной смеси намного выше, чем для бензина, что является огромным плюсом для ее применения в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Однако, и здесь не все так просто. Все дело в плотности водорода, она слишком низка при атмосферном давлении. Так, 1 м3 этого газа весит всего 90 грамм. Если сжечь этот 1 м3 H2, то выделится около 10-11 МДж теплоты, что уже в 4 раза меньше, чем при сжигании 1 кг бензина (чуть больше 1 литра).

Приведенные цифры говорят о том, что для использования реакции горения водорода необходимо научиться хранить этот газ в баллонах с высоким давлением, что создает уже дополнительные сложности, как в технологическом вопросе, так и с точки зрения безопасности.

Химические свойства кислорода

Кислород поддерживает горение.  Горение — быстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света. Чтобы доказать, что в склянке находится кислород, а не какой-то другой газ, надо в склянку опустить тлеющую лучинку. В кислороде тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Горение различных веществ на воздухе – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является кислород. Окислители – это вещества, «отбирающие» электроны у веществ-восстановителей. Хорошие окислительные свойства кислорода можно легко объяснить строением его внешней электронной оболочки.

Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне – относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода 2s2 2p4  находится 6 электронов. Следовательно, до октета недостает двух электронов, которые кислород стремится принять с электронных оболочек других элементов, вступая с ними в реакции в качестве окислителя.

Кислород имеет вторую (после фтора) электроотрицательность в шкале Полинга. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений с другими элементами кислород имеет отрицательную степень окисления. Более сильным окислителем, чем кислород, является только его сосед по периоду – фтор. Поэтому соединения кислорода с фтором – единственные, где кислород имеет положительную степень окисления.

Итак, кислород – второй по силе окислитель среди всех элементов Периодической системы. С этим связано большинство его важнейших химических свойств.
С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород — окислитель.

Кислород легко реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами:

4Li + O2 → 2Li2O,

2K + O2 → K2O2,

2Ca + O2 → 2CaO,

2Na + O2 → Na2O2,

2K + 2O2 → K2O4

Мелкий порошок железа ( так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe2O3, а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:

3 Fe + 2O2 → Fe3O4

2Mg + O2 → 2MgO

2Cu + O2  → 2CuO

С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:

S + O2 → SO2,

C + O2 → CO2,

2H2 + O2 → H2O,

4P + 5O2 → 2P2O5,

Si + O2 → SiO2, и т.д

Почти все реакции с участием кислорода O2 экзотермичны, за редким исключением, например:

N2 + O2 → 2NO – Q

Эта реакция протекает при температуре выше 1200 oC или в электрическом разряде.

Кислород способен окислить сложные вещества, например:

2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O   (избыток кислорода),

2H2S + O2 → 2S + 2H2O   (недостаток кислорода),

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O   (без катализатора),

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O   (в присутствии катализатора Pt ),

CH4 (метан) + 2O2 → CO2 + 2H2O,

4FeS2 (пирит) + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2.

Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O2+, например, O2+ [PtF6]— (успешный синтез этого соединения  побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).

Озон

Озон химически более активен, чем кислород O2. Так, озон окисляет иодид — ионы I—  в растворе  Kl:

O3 + 2Kl + H2O = I2 + O2 + 2KOH

Озон сильно ядовит, его ядовитые свойства сильнее, чем, например, у сероводорода. Однако в природе озон, содержащийся в высоких слоях атмосферы, выполняет роль защитника всего живого на Земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Тонкий озоновый слой поглощает это излучение, и оно не достигает поверхности Земли. Наблюдаются значительные колебания в толщине и протяженности этого слоя с течением времени (так называемые озоновые дыры) причины таких колебаний пока не выяснены.

Применение кислорода O2: для интенсификации процессов получения чугуна и стали, при выплавке цветных металлов, как окислитель в различных химических производствах, для жизнеобеспечения на подводных кораблях, как окислитель ракетного топлива (жидкий кислород), в медицине, при сварке и резке металлов.

Применение озона О3: для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.

Взрыв водорода vs взрыва кислорода: какой газ выигрывает по силе взрыва?

В чем разница между взрывом водорода и взрывом кислорода, и есть ли она вообще? Давайте взглянем на последовательный поджиг трех шаров и посмотрим на разницу в мощности (при просмотре уменьшите звук):

Three BalloonsThree Balloons

Разница очевидна, не правда ли?

Кислород, принимая участие в процессе множества взрывов, приобрел репутацию «плохого парня». Некоторые люди даже думают, что кислород взрывоопасен. Как мы можем увидеть из представленного эксперимента, без кислорода хоть и не может произойти необходимый химический процесс для взрыва, сам по себе газ не несет в себе взрывоопасности. По сути, он не более чем дополнение, аксессуар для большого ба-бах!

Горение – суть удаление кислорода из области, окружающей горящий объект, и добавление его к тому материалу, который сжигается. Пожар не может начаться без кислорода. Но сам кислород совершенно безвреден в «химии» пожара. Когда джентльмен с горелкой на длинной ручке перемещается от одного шара к другому, он демонстрирует взрывную способность водорода, кислорода, а также смеси водорода и кислорода, так называемого «гремучего газа», если соблюдена пропорциональность.

Кислород с точки зрения взрыва является настоящим разочарованием (красный шарик). Без инициирующего вещества сам по себе газ под восьмым порядковым номером в таблице Менделеева не способен сделать ничего, кроме не очень громкого «БАХ!». Ну прям ничуть не больше, чем в том случае, если вы в шарик булавкой ткнете. Горения кислорода не происходит.

Поэтому, если поджечь спичку, кислород вокруг нее не воспламенится, он лишь будет поддерживать горение в непосредственном соприкосновении с горящим объектом.

Но первым «на воздух взлетает» шар, наполненный водородом. Происходит впечатляющий взрыв. На самом деле одна из причин, почему это так впечатляет, – это то, что мы можем это видеть. Требуется время, чтобы чистый водород смешался с кислородом в воздухе, и это время позволяет нам увидеть краткое, красивое распространение огня.

Когда взрывается воздушный шар, заполненный водородом и кислородом (тот самый «гремучий газ», включающий от 71 до 80 процентов водорода), взрыв происходит так быстро, что на мгновение кажется, что кто-то ускорил пленку, а звук-то какой от последнего взрыва мощный!

Это легко объяснимо, просто в этом миксе газов необходимые элементы уже смешаны и ждут своего часа: водород, воспламеняемый при помощи кислорода.

Этот гремучий газ стал одной из самых больших головных болей инженеров проектирующих водородные автомобили. При аварии и разгерметизации баллона с водородом, газ может смешаться в необходимой пропорции, и будет достаточно небольшой искры для очень мощного взрыва. В связи с этим на водородных автомобилях ставятся специальные ячейки для хранения опасного газа.

Механизм процесса горения водорода

Описанная в предыдущем пункте химическая реакция известна любому школьнику старших классов, однако она является очень грубым описанием того процесса, который происходит в действительности. Отметим, что до середины прошлого века человечество не знало, как происходит горение водорода в воздухе, а в 1956 году за ее изучение была присуждена Нобелевская премия по химии.

В действительности, если столкнуть молекулы O2 и H2, то никакой реакции не произойдет. Обе молекулы являются достаточно устойчивыми. Чтобы горение происходило, и образовывалась вода, необходимо существование свободных радикалов. В частности, атомов H, O и групп OH. Ниже приводится последовательность реакций, которые происходят в действительности при горении водорода:

  • H + O2 => OH + O;
  • OH + H2 => H2O + H;
  • O + H2 = OH + H.

Что видно из этих реакций? При горении водорода образуется вода, да, верно, но происходит это только, когда группа из двух атомов OH встречается с молекулой H2. Кроме того, все реакции происходят с образованием свободных радикалов, это означает, что запускается процесс самоподдержания горения.

Таким образом, ключевой момент в запуске этой реакции заключается в образовании радикалов. Они появляются, если поднести к кислород-водородной смеси горящую спичку, либо если нагреть эту смесь выше определенной температуры.

Правила безопасности при использовании, хранении и транспортировке кислорода

  • Необходимо внимательно следить за тем, чтобы кислород не находился в контакте с горючими легковоспламеняющимися веществами.
  • Следить за тем, чтобы не было утечки, поскольку даже при незначительном увеличении количества кислорода в воздухе может произойти самовозгорание горючих материалов или волос на теле, одежде и т.п.
  • Все лица, в том числе и сварщики, работающие с кислородом никогда не должны надевать рабочую одежду, на которых присутствуют следы смазки или масла.
  • Запрещено применение O2 вместо воздуха для запуска дизельного двигателя.
  • Запрещено его использование с целью удаления пыли с рабочей одежды. При случайном попадание избыточного объема кислорода на одежду потребуется много времени для выветривания, вплоть до нескольких часов.
  • Запрещено применение для освежения воздуха.
  • Вся кислородная аппаратура, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. В процессе эксплуатации исключить возможность попадания и накопления масел и жиров на поверхности деталей, работающих в контакте с O2.
  • Оборудование, работающее в непосредственном контакте с кислородом не должно содержать пыль и металлические частицы во избежание самовозгорания.
  • Перед проведением ремонтных работ или освидетельствованием трубопроводов, баллонов, стационарных и передвижных реципиентов или другого оборудования, используемого для хранения и транспортирования газа, необходимо продуть все внутренние объемы воздухом. Разрешается начинать работы только после снижения объемной доли O2 во внутренних объемах оборудования до 23%.
  • Запрещается баллоны, автореципиенты и трубопроводы, предназначенные для транспортирования кислорода, использовать для хранения и транспортирования других газов, а также производить какие-либо операции, которые могут загрязнить их внутреннюю поверхность.
  • При погрузке, разгрузке, транспортировании и хранении баллонов должны применяться меры, предотвращающие их падение, удары друг о друга, повреждение и загрязнение баллонов маслом. Баллоны должны быть защищены от атмосферных осадков и нагрева солнечными лучами и другими источниками теплоты.
  • На всех кислородных вентилях должна находится табличка «кислород маслоопасно».

Происхождение названия

Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. oxygene), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.

Примечания

  1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 387. — 671 с. — 100 000 экз.
  2. J. Priestley, Experiments and Observations on Different Kinds of Air, 1776.
  3. W. Ramsay, The Gases of the Atmosphere (the History of Their Discovery), Macmillan and Co, London, 1896.
  4. Кнунянц И. Л. и др. Химическая энциклопедия. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 387-389. — 671 с. — 100 000 экз.
  5. Я. А. Угай. Общая и неорганическая химия. — Москва: Высшая школа, 1997. — С. 432-435. — 527 с.
  6. Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. Biology, 7th Edition. — San Francisco: Pearson – Benjamin Cummings, 2005. — С. 522–23. — ISBN 0-8053-7171-0.
  7. Freeman, Scott. Biological Science, 2nd. — Upper Saddle River, NJ: Pearson – Prentice Hall, 2005. — P. 214, 586. — ISBN Biological Science, 2nd.
  8. Радиационная химия // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд. / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — М.: Педагогика, 1990. — С. 200. — ISBN 5-7155-0292-6.
  9. Руководство для врачей скорой помощи / Михайлович В. А. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Медицина, 1990. — С. 28-33. — 544 с. — 120 000 экз. — ISBN 5-225-01503-4.
  10. Вредные химические вещества: Неорганические соединения элементов V-VIII групп. Справочник. — Л., 1989. — С. 150-170

Получение

Перегонка жидкого воздуха

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха.
Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация.
Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.

В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.

Разложение кислородсодержащих веществ

Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:

2KMnO4→K2MnO4+MnO2+O2↑{\displaystyle {\mathsf {2KMnO_{4}\rightarrow K_{2}MnO_{4}+MnO_{2}+O_{2}\uparrow }}}

Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода H2O2 в присутствии оксида марганца(IV):

2H2O2 →MnO2 2H2O+O2↑{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O_{2}\ {\xrightarrow {MnO_{2}}}\ 2H_{2}O+O_{2}\uparrow }}}

Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:

2KClO3→2KCl+3O2↑{\displaystyle {\mathsf {2KClO_{3}\rightarrow 2KCl+3O_{2}\uparrow }}}

Разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C) было первым методом синтеза кислорода:

2HgO→100oC 2Hg+O2↑{\displaystyle {\mathsf {2HgO{\xrightarrow {100^{o}C}}\ 2Hg+O_{2}\uparrow }}}

Электролиз водных растворов

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза разбавленных водных растворов щелочей, кислот и некоторых солей (сульфатов, нитратов щелочных металлов):

2H2O→e− 2H2+O2↑{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O{\xrightarrow {e-}}\ 2H_{2}+O_{2}\uparrow }}}

Реакция перекисных соединений с углекислым газом

На подводных лодках и орбитальных станциях обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:

2Na2O2+2CO2→2Na2CO3+O2↑{\displaystyle {\mathsf {2Na_{2}O_{2}+2CO_{2}\rightarrow 2Na_{2}CO_{3}+O_{2}\uparrow }}}

Для соблюдения баланса объемов поглощенного углекислого газа и выделившегося кислорода, к нему добавляют надпероксид калия. В космических кораблях для уменьшения веса иногда используется пероксид лития.

Применение водородной горючей смеси в технике: проблемы

Сразу необходимо сказать, что в настоящее время водородная горючая смесь уже используется в некоторых сферах человеческой деятельности. Например, в качестве дополнительного топлива для космических ракет, в качестве источников для выработки электрической энергии, а также в экспериментальных моделях современных автомобилей. Однако масштабы этого применения являются мизерными, по сравнению с таковыми для органического топлива и, как правило, носят экспериментальных характер. Причиной этому являются не только трудности в контроле самой реакции горения, но также в хранении, транспортировке и добыче H2.

Водород на Земле практически не существует в чистом виде, поэтому его необходимо получать из различных соединений. Например, из воды. Это достаточно популярный способ в настоящее время, который осуществляется с помощью пропускания электрического тока через H2O. Вся проблема заключается в том, что при этом расходуется больше энергии, чем потом можно получить путем сжигания H2.

Еще одна важная проблема — транспортировка и хранение водорода. Дело в том, что этот газ, ввиду маленьких размеров его молекул, способен «вылетать» из любых контейнеров. Кроме того, попадая в металлическую решетку сплавов, он вызывает их охрупчивание. Поэтому наиболее эффективным способом хранения H2 является использование атомов углерода, способных прочно связывать «неуловимый» газ.

Таким образом, применение водорода в качестве топлива в более-менее широких масштабах возможно, только если его использовать в качестве «сохранения» электричества (например, переводить ветровую и солнечную энергию в водород с помощью электролиза воды), либо если научиться доставлять H2 из космоса (где его очень много) на Землю.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий