Получение и применение кислорода. Какое применение кислорода в машиностроении? Общая характеристика элемента
Четыре элемента-«халькогена» (т.е. «рождающих медь») возглавляют главную подгруппу VI группы (по новой классификации - 16-ю группу) периодической системы. Кроме серы, теллура и селена к ним также относится кислород. Давайте подробно разберем свойства этого наиболее распространенного на Земле элемента, а также применение и получение кислорода.
Распространенность элемента
В связанном виде кислород входит в химический состав воды - его процентное соотношение составляет порядка 89%, а также в состав клеток всех живых существ - растений и животных.
В воздухе кислород находится в свободном состоянии в виде О2, занимая пятую часть его состава, и в виде озона - О3.
Физические свойства
Кислород О2 представляет собой газ, который не обладает цветом, вкусом и запахом. В воде растворяется слабо. Температура кипения - 183 градуса ниже нуля по Цельсию. В жидком виде кислород имеет голубой цвет, а в твердом виде образует синие кристаллы. Температура плавления кислородных кристаллов составляет 218,7 градуса ниже нуля по Цельсию.
Химические свойства
При нагревании этот элемент реагирует со многими простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, образуя при этом так называемые оксиды - соединения элементов с кислородом. в которую элементы вступают с кислородом, называется окислением.
Например,
4Na + О2= 2Na2O
2. Через разложение перекиси водорода при нагревании ее в присутствии оксида марганца, выступающего в роли катализатора.
3. Через разложение перманганата калия.
Получение кислорода в промышленности проводится такими способами:
1. Для технических целей кислород получают из воздуха, в котором обычное его содержание составляет порядка 20%, т.е. пятую часть. Для этого воздух сначала сжигают, получая смесь с содержанием жидкого кислорода около 54%, жидкого азота - 44% и жидкого аргона - 2%. Затем эти газы разделяют с помощью процесса перегонки, используя сравнительно небольшой интервал между температурами кипения жидкого кислорода и жидкого азота - минус 183 и минус 198,5 градуса соответственно. Получается, что азот испаряется раньше, чем кислород.
Современная аппаратура обеспечивает получение кислорода любой степени чистоты. Азот, который получается при разделении жидкого воздуха, используется в качестве сырья при синтезе его производных.
2. также дает кислород очень чистой степени. Этот способ получил распространение в странах с богатыми ресурсами и дешевой электроэнергией.
Применение кислорода
Кислород является основным по значению элементом в жизнедеятельности всей нашей планеты. Этот газ, который содержится в атмосфере, расходуется в процессе животными и людьми.
Получение кислорода очень важно для таких сфер деятельности человека, как медицина, сварка и резка металлов, взрывные работы, авиация (для дыхания людей и для работы двигателей), металлургия.
В процессе хозяйственной деятельности человека кислород расходуется в больших количествах - например, при сжигании различных видов топлива: природного газа, метана, угля, древесины. Во всех этих процессах образуется При этом природа предусмотрела процесс естественного связывания данного соединения с помощью фотосинтеза, который проходит в зеленых растениях под действием солнечного света. В результате этого процесса образуется глюкоза, которую растение потом расходует для строительства своих тканей.
Химический элемент Кислород (лат. Oxygenium) находится в VI группе периодической таблицы Менделеева под номером 8. Его относительная атомная масса равна 15,9994. В обычных условиях Кислород это газ, не имеющий цвета, вкуса или запаха. Он играет практически самую важную роль на планете. Это самый распространенный элемент на Земле, в связанном виде он составляет примерно 6/7 массы гидросферы ЗемлиСчитается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года разложением оксида ртути в герметично закрытом сосуде с помощью сфокусированных линзой лучей
2HgO (t) = 2Hg + O2
Открытию кислорода способствовали работы французского химика Петра Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и разложению её оксида.Вначале, правда, Пристли думал, что открыл новое простое вещество, он полагал, что выделил одну из составных частей воздуха и поэтому назвал его «дефлогистированным воздухом». Про газ Пристли сказал именитому французскому химику А.Лавуазье.
Однако ещё 1771 году кислород получил шведский химик Карл Шееле прокаливанием селитры с серной кислотой и затем разкладывал получившийся оксид азота. В 1777 Шееле написал о своем открытии в книге, где назвал полученный газ «огненным воздухом». Из-за того, что книга была издана позже, Пристли и считается первооткрывателем кислорода. Шееле также сообщил Лавуазье о своём опыте.Окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье. В 1775 году тот установил, что кислород является составной частью воздуха, а также кислот и содержится во многих веществах. Его работа произвела революцию, так как была разбита популярная на то время флогистонная теория, являвшаяся тормозом в развитии химии. Лавуазье провел опыты по сжиганию различных веществ и проанализировал результаты по весу сожженных элементов.Теория флогистона базировалась на приниципах:
1. Есть некая субстанция, которая содержится всех горючих телах – флогистон
2. Горение - это разложение тела с выделением флогистона, необратимо рассеивающийся в воздухе.
3. Флогистон всегда в составе с другими веществами и не бывает в чистом виде
4. Флогистон имеет отрицательную массой.
Таким образом были пересмотрены все химические понятия с крахом данной теории.
Широко применять кислород в промышленности стали в середине XX века, после изобретения устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.
Кислород используется в конвертерном способе производства стали, для сварки металлов (в баллонах). Жидкий кислород в смеси с жидким озоном применяется в качестве окислителя для ракетного топлива, обладающего крайне высоким импульсом. Он входит в состав пероксида водорода, азотной кислота и других важных химических веществ.В медицине кислород используется для дыхательных газовых смесей при нарушении дыхания, для лечения астмы (в виде кислородных коктейлей, кислородных подушек и т. д.), при сердечно-сосудистых заболеваниях. С целью улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). При слоновости, трофических язвах, гангрене и других заболеваниях используют подкожное введение кислорода. Обезараживание и дезодорацию воздуха, а также очистку питьевой воды проводят озоном, являющимся аллотропной формой кислорода. Радиоактивный изотоп кислорода 15O используется для вычисления скорости кровотока, лёгочной вентиляции.В пищевой промышленности кислород идет в качестве пищевой добавки E948, как пропеллент и упаковочный газ.Все живность на планете дышит кислородом воздуха.
Всего 3 основных способа получения Кислорода: химический (разложение некоторых веществ), электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха).
Всем живым существам кислород необходим для дыхания. Поэтому его в баллонах применяют для дыхания в тех условиях, где нет воздуха: под водой, в космосе. Его используют пожарные при работе в условиях высокой задымленности, альпинисты при подъеме на большие высоты. В медицине кислород используют для пациентов, которые не могут самостоятельно дышать, а также для лечения некоторых болезней. Однако долго дышать именно чистым кислородом нельзя, это опасно для жизни.
Это вещество применяют для приготовления кислородных коктейлей, им насыщают куриный белок, смешивая его с витаминами и минералами. Такой продукт улучшает обменные процессы в организме. Газ необходим не только людям. Им обогащают воду при содержании аквариумных рыб и в прудовых хозяйствах, занимающихся выращиванием рыбы как продукта питания. В полеводстве хорошие результаты получают при замачивании семян перед посевом в воде, обогащенной кислородом.
Баллоны кислорода окрашивают в голубой цвет. В металлургии его используют при сварке, резке металлов. Ацетилен, когда сгорает в потоке чистого кислорода, помогает получить температуру около 3000 градусов. При таких высоких температурах железо плавится.
Кислород поддерживает горение. Для интенсификации процессов при сжигании топлива или мусора применяют не чистый кислород, но воздух, который его содержит. Всем теплостанциям, которые работают за счет сжигания нефти, газа или угля нужен кислород из атмосферы. Невозможно без этого элемента сделать качественную бумагу, кислород выступает в роли ее отбеливателя. В стиральных порошках также часто присутствуют кислородные отбеливатели.
Жидкий газ нашел применение в подрывном деле. Его смесь с древесным и угольным порошками, различными взрывчатыми веществами называется оксиликвит. В жидком виде кислород необходим для сжигания ракетного топлива.
Кислород используют при очистке сточных вод. Микроорганизмам активного ила, которые поедают органические отходы, для жизнедеятельности нужен кислород. Из-за этого при очистке воды в нее подают воздух.
Модификация кислорода – озон губителен для бактерий и грибков, поэтому его используют для обеззараживания питьевой воды и воды в бассейнах, стерилизации медицинских изделий, воздуха.
Кислород применяется в следующих случаях:
1) В энергоснабжении . Как известно, атмосфера является газовой геосферой Земли, содержащей огромное количество кислорода, без которого жизнь на нашей планете была бы невозможной. Поэтому все животные, растения, а также другие живые существа используют кислород для производства необходимой энергии.
Кислород у людей и животных поглощается гемоглобином в крови из воздуха в легкие. Затем он переносится в более глубокие ткани тела и далее распределяется по всем клеткам.
Кислород поглощается митохондриями на клеточном уровне. Там он используется для получения энергии от разрушения молекулы глюкозы. Отходы этой реакции включают молекулу воды и двуокись углерода.
2) В здравоохранении . При наличии респираторной недостаточности необходима кислородная терапия. Это может свидетельствовать о таких заболеваний, как ХОБЛ, пневмония, сердечная недостаточность и т. д.
Даже в случае отравления кислородная терапия может быть назначена для стабилизации состояния пациента. Таким образом, медикаментозное использование кислорода включает в себя поддержку дыхания в случае респираторной недостаточности, а также минимизацию воздействия ядовитых веществ на организм.
3) В анализе веществ . Анализ проб разных веществ является ключевым аспектом качества в промышленности. Из доступных аналитических методов в химии, пламенная фотометрия и атомно-абсорбционная спектрометрия используют пламя для определения элементов в образце. Для создания пламени высокой температуры необходим кислород, который преобразовывает возбужденные электроны в атомы.
4) В стерилизации . Кислород - электроотрицательный элемент, являющийся сильным стерилизующим агентом. Он может уничтожать микробы в любой среде, будь то вода или земля. Он используется в качестве дезинфицирующего средства в виде перекиси водорода H2O2.
Кроме того, существует метод, называемый кислородной плазменной обработкой, где молекула кислорода разрушается для выделения одного атома кислорода или его ионов, которые являются смертельно токсичными. Они используются для стерилизации веществ при комнатной температуре.
5) В химических реакциях . Кислород является частью многих химических реакций. Существенной химической реакцией является реакция окисления-восстановления. В них происходит добавление или удаление кислорода. Добавление называется окислением, а его удаление - восстановлением. Эти химические реакции используются для синтеза, анализа, а также титрования веществ.
- Писатель Владимир Тендряков. Жизнь и творчество
Владимир Федорович Тендряков (1923-1984 гг.) относится к представителям литературы советского периода отечественной истории, работающих в жанре социалистического реализма.
- Жизнь и творчество Герберта Уэллса
Герберт Джордж Уэллс (1866-1946 гг.) является одним из известных английских литераторов, основной тематикой произведений которого становится научная фантастика, представленная в жанре критического реализма.
- Что такое Каролингское возрождение?
У каждого народа в истории есть яркие явления, а во Франкской монархии показательным станет Каролингское возрождение. Чтобы понять величие данного возрождения, необходимо познакомиться с культурой той эпохи.
- Война Алой и Белой розы краткое содержание Войны роз
Династией Ланкастеров в Англии правила француженка - Маргарита, это вызвало недовольство династии Йорков. Бароны северной Англии и Ирландии приняли сторону Ланкастеров. Тогда как Йоркам помогали феодалы, купцы и горожане.
- Охрана растений - сообщение доклад
Растения играют огромную роль для поддержания жизни на планете. Без них на земле не будет кислорода и почти все живые организмы вымрут. Поэтому уничтожение растительного мира, особенно лесов, считается проблемой номер 1
Первые исследователи кислорода заметили, что в его атмосфере легче дышится. Они предсказывали широкое применение этого живительного газа в медицине и даже в повседневной жизни как средства, усиливающего жизнедеятельность человеческого организма.
Но при более углублённом изучении оказалось, что длительное вдыхание чистого кислорода человеком может вызвать заболевание и даже смерть: организм человека не приспособлен к жизни в чистом кислороде.
В настоящее время чистый кислород применяется для вдыхания лишь в некоторых случаях: например, тяжело больным туберкулёзом лёгких предлагают вдыхать кислород небольшими порциями. Аэронавты и лётчики при высотных полётах пользуются кислородными приборами. Бойцы горноспасательных отрядов часто принуждены работать в атмосфере, лишённой кислорода. Для дыхания они используют прибор, в котором сохраняется нужный для дыхания состав воздуха добавлением кислорода из баллонов, находящихся в том же приборе.
Основная масса получаемого в промышленности кислорода применяется в настоящее время для сжигания в нём различных веществ с целью получения очень высокой температуры.
Например, горючий газ ацетилен (C 2 H 2) смешивают с кислородом и сжигают в особых горелках. Пламя этой горелки имеет такую высокую температуру, что в нём плавится железо. Поэтому кислородно-ацетиленовой горелкой пользуются для сварки стальных изделий. Такая сварка называется автогенной.
Жидкий кислород применяется для приготовления взрывчатых смесей. Особые патроны набивают измельчённой древесиной (древесной мукой) или другими измельчёнными горючими веществами и смачивают эту горючую массу жидким кислородом. При поджигании такой смеси горение происходит очень быстро, образуется большое количество газов, нагретых до очень высокой температуры. Давлением этих газов могут быть взорваны скалы, или выброшено большое количество грунта. Этой взрывчатой смесью пользуются при строительстве каналов, при проходке тоннелей и пр.
В последнее время кислород добавляют к воздуху для повышения температуры в печах при выплавке чугуна и стали. Благодаря этому ускоряется выплавка стали и повышается её качество.
Следует заметить, что кислород приносит не только пользу, но и вред современному человеку: он окисляет и тем портит металлические изделия. Особенно много гибнет железа от ржавления, в котором кислород принимает активное участие.
Современная наука решает вопросы не только о том, как получить и лучше использовать кислород, но также и о том, как защитить некоторые вещества я предметы от химического действия кислорода.
Получить кислород можно из сложных веществ или из воздуха. В небольших количествах для учебных целей получают кислород разложением некоторых сложных веществ, например марганцевокислого калия KMnO 4 .
Так как кислород немного тяжелее воздуха, то он собирается сначала на дне стеклянной банки и вытесняет из неё воздух. Чтобы следить за наполнением банки кислородом, нужно опускать в неё тлеющую лучинку: лучинка загорается,в той части банки, которая заполнилась кислородом.
Для промышленных целей кислород получают в больших количествах из воздуха или из воды.
Применение кислорода основано на его химических свойствах.
Кислород воздуха имеет чрезвычайно важное значение для процессов горения. Сжигая различные виды топлива, получают тепло, которое используют для удовлетворения самых различных потребностей, в том числе для преобразования его в механическую и электрическую энергию. При участии кислорода воздуха сгорает топливо на теплоэлектростанциях, топливо в двигателях автомобилей, выжигают металлические руды на заводах цветной металлургии.
Сварка и резка металлов
Чистый кислород с ацетиленом широко используют для так называемой автогенной сварки стальных труб и других металлических конструкций и их резки. Для этого служит специальная горелка, который состоит из двух металлических трубок, вставленных друг в друга. В пространство между трубками пропускают ацетилен и зажигают, а затем по внутренней трубке пропускают кислород. Оба газа, подаются из баллонов под давлением. Температура в кислородно-ацетиленовом пламени - до 2000 ° C, при такой температуре плавится большинство металлов.
В медицине
Кислород - важнейший биогенный химический элемент, обеспечивающий дыхание большинства живых организмов на Земле. Физиологическое действие кислорода разностороннее, но решающее значение в его лечебном эффекте имеет способность возмещать дефицит кислорода в тканях организма при гипоксии (недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения его усвоения).
Ингаляцией (вдыханием) кислорода широко пользуются при различных заболеваниях, сопровождающихся гипоксией (нехваткой кислорода): при заболеваниях органов дыхания (пневмония, отек легких и т. д.), сердечно-сосудистой системы (сердечная недостаточность, коронарная недостаточность, резкое падение артериального давления и т. п.), отравлениях угарным газом, синильной кислотой, удушающими веществами (хлор, фосген и др.), а также при других заболеваниях с нарушением функции дыхания и окислительных процессов.
В анестезиологической практике кислород широко применяется в смеси с ингаляционными наркотическими анальгетиками. Чистым кислородом и смесью его с углекислотой пользуются при ослаблении дыхания в послеоперационном периоде, при интоксикациях и т. д.
Широко пользуются кислородом для так называемой гипербарической оксигенации - применения кислорода под повышенным давлением. Установлена высокая эффективность этого метода в хирургии, интенсивной терапии тяжелых заболеваний, особенно в кардиологии, реаниматологии, неврологии и других областях медицины.
Применяют также энтеральную оксигенотерапию (введение кислорода в кишечник или желудок) путем введения в желудок кислородной пены, применяемой в виде так называемого кислородного коктейля. Используется для общего улучшения обменных процессов в комплексной терапии сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений обмена веществ и других патологических состояний, связанных с кислородной недостаточностью организма.
Чистым кислородом пользуются для дыхания также летчики при высоких полетах, водолазы, на подводных лодках и т. п.
Кислородные подушки применяют при некоторых заболеваниях для облегчения дыхания.
В металлургии
Кислород широко применяется для интенсификации химических и металлургических процессов. Чистый кислород используют, в частности при производстве серной и азотной кислот, синтетического метилового спирта CH 3 OH и других химических продуктов.
При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха значительно повышается температура печи, ускоряется процесс выплавки чугуна, увеличивается производительность доменов и экономится кокс.
Идея о целесообразности обогащения дутья кислородом была высказана еще в XIX веке. Однако, широкое использование обогащенного кислородом воздуха в доменном производстве и в металлургии вообще задержалось на долгое время. Это было обусловлено высокой стоимостью кислорода, а также нарушениями в технологическом процессе, возникавшие при выплавке перерабатывающих чугунов.
После многих промышленных исследований была отработана теория и технология доменной плавки с использованием обогащенного кислородом дутья.
В сельском хозяйстве
В тепличном хозяйстве, для увеличения массы животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.
В пищевой промышленности выступает в роли пропеллента (для распыления других веществ), в качестве упаковочного газа и даже как пищевая добавка (Е 948).
Ракетное топливо
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).
Взрывчатые вещества
Для изготовления взрывчатых смесей - так называемых оксиликвиты используют жидкий кислород. Это смеси древесных опилок, сухого торфа, порошка угля и других горючих веществ, спрессованных в специальных патронах и пропитанных перед употреблением жидким кислородом. При воспалении такой смеси электрической искрой она взрывается с большой силой. Оксиликвиты применяют при разработке рудных залежей взрывным способом, при прокладке тоннелей в горах, рытье каналов и др.
