O oxigênio ocupa 21% do ar atmosférico. A maior parte é encontrada na crosta terrestre, água doce e microorganismos vivos. É usado em muitas indústrias e é usado para necessidades domésticas e médicas. A demanda por uma substância se deve às características químicas e físicas.

Como o oxigênio é produzido na indústria. 3 métodos

A produção de oxigênio na indústria é realizada pela divisão do ar atmosférico. Os seguintes métodos são usados ​​para isso:

A produção de oxigênio em escala industrial é de grande importância. Deve ser dada maior atenção à escolha da tecnologia e do equipamento apropriado. Os erros cometidos podem afetar negativamente o processo tecnológico e levar a um aumento nos custos após o abate.

Características técnicas de equipamentos para produção de oxigênio na indústria

Geradores do tipo industrial "OXIMAT" ajudam a estabelecer o processo de obtenção de oxigênio em estado gasoso. Suas características técnicas e características de projeto visam obter esta substância na indústria com a pureza necessária e a quantidade necessária ao longo do dia (sem interrupção). Ressalta-se que o equipamento pode operar em qualquer modo, com ou sem paradas. A unidade opera sob pressão. Na entrada, deve haver ar seco em estado comprimido, livre de umidade. São fornecidos modelos de produtividade pequena, média e grande.

Plano:

Histórico de descobertas

Origem do nome

Estar na natureza

Recibo

Propriedades físicas

Propriedades quimicas

Inscrição

10. Isótopos

Oxigênio

Oxigênio- um elemento do 16º grupo (de acordo com a classificação desatualizada - o principal subgrupo do grupo VI), o segundo período do sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev, com número atômico 8. É designado pelo símbolo O (lat . Oxigênio). O oxigênio é um não metal reativo e é o elemento mais leve do grupo calcogênio. substância simples oxigênio(número CAS: 7782-44-7) em condições normais - um gás incolor, insípido e inodoro, cuja molécula consiste em dois átomos de oxigênio (fórmula O 2), em conexão com o qual também é chamado de dioxigênio. um azul claro, e o sólido são cristais azuis claros.

Existem outras formas alotrópicas de oxigênio, por exemplo, ozônio (número CAS: 10028-15-6) - em condições normais, um gás azul com um odor específico, cuja molécula consiste em três átomos de oxigênio (fórmula O 3).

Histórico de descobertas

Acredita-se oficialmente que o oxigênio foi descoberto pelo químico inglês Joseph Priestley em 1º de agosto de 1774 pela decomposição do óxido de mercúrio em um recipiente hermeticamente fechado (Priestley dirigiu os raios do sol para este composto usando uma lente poderosa).

No entanto, Priestley não percebeu inicialmente que havia descoberto uma nova substância simples, ele acreditava que isolou uma das partes constituintes do ar (e chamou esse gás de "ar deflogisticado"). Priestley relatou sua descoberta ao notável químico francês Antoine Lavoisier. Em 1775, A. Lavoisier estabeleceu que o oxigênio é parte integrante do ar, ácidos e é encontrado em muitas substâncias.

Alguns anos antes (em 1771), o químico sueco Carl Scheele havia obtido oxigênio. Calcinou o salitre com ácido sulfúrico e depois decompôs o óxido nítrico resultante. Scheele chamou esse gás de "ar de fogo" e descreveu sua descoberta em um livro publicado em 1777 (exatamente porque o livro foi publicado mais tarde do que Priestley anunciou sua descoberta, este último é considerado o descobridor do oxigênio). Scheele também relatou sua experiência a Lavoisier.

Uma etapa importante que contribuiu para a descoberta do oxigênio foi o trabalho do químico francês Pierre Bayen, que publicou trabalhos sobre a oxidação do mercúrio e a posterior decomposição de seu óxido.

Finalmente, A. Lavoisier finalmente descobriu a natureza do gás resultante, usando informações de Priestley e Scheele. Seu trabalho foi de grande importância, pois graças a ele, a teoria do flogisto que dominava na época e impedia o desenvolvimento da química foi derrubada. Lavoisier realizou um experimento sobre a combustão de várias substâncias e refutou a teoria do flogisto publicando os resultados sobre o peso dos elementos queimados. O peso da cinza excedeu o peso inicial do elemento, o que deu a Lavoisier o direito de afirmar que durante a combustão ocorre uma reação química (oxidação) da substância, em conexão com isso, a massa da substância original aumenta, o que refuta a teoria do flogisto.

Assim, o crédito pela descoberta do oxigênio é, na verdade, compartilhado por Priestley, Scheele e Lavoisier.

Origem do nome

A palavra oxigênio (no início do século 19 ainda era chamada de "ácido"), seu aparecimento na língua russa se deve, em certa medida, a M.V. Lomonosov, que introduziu, junto com outros neologismos, a palavra "ácido"; assim a palavra "oxigênio", por sua vez, foi um papel vegetal do termo "oxigênio" (francês oxygène), proposto por A. Lavoisier (do outro grego ὀξύς - "azedo" e γεννάω - "eu dou à luz"), que se traduz como "gerador de ácido", que está associado ao seu significado original - "ácido", que anteriormente significava substâncias chamadas óxidos de acordo com a nomenclatura internacional moderna.

Estar na natureza

O oxigênio é o elemento mais comum na Terra; sua participação (como parte de vários compostos, principalmente silicatos) representa cerca de 47,4% da massa da crosta terrestre sólida. As águas do mar e doces contêm uma enorme quantidade de oxigênio ligado - 88,8% (em massa), na atmosfera o conteúdo de oxigênio livre é de 20,95% em volume e 23,12% em massa. Mais de 1500 compostos da crosta terrestre contêm oxigênio em sua composição.

O oxigênio é um constituinte de muitas substâncias orgânicas e está presente em todas as células vivas. Em termos do número de átomos nas células vivas, é cerca de 25%, em termos de fração de massa - cerca de 65%.

Recibo

Atualmente, na indústria, o oxigênio é obtido do ar. O principal método industrial para obtenção de oxigênio é a destilação criogênica. As plantas de oxigênio baseadas na tecnologia de membranas também são bem conhecidas e utilizadas com sucesso na indústria.

Nos laboratórios, é utilizado oxigênio industrial, fornecido em cilindros de aço sob pressão de cerca de 15 MPa.

Pequenas quantidades de oxigênio podem ser obtidas aquecendo o permanganato de potássio KMnO 4:

A reação da decomposição catalítica do peróxido de hidrogênio H 2 O 2 na presença de óxido de manganês (IV) também é usada:

O oxigênio pode ser obtido pela decomposição catalítica do clorato de potássio (sal de bertolet) KClO 3:

Os métodos laboratoriais para a produção de oxigênio incluem o método de eletrólise de soluções aquosas de álcalis, bem como a decomposição de óxido de mercúrio (II) (em t = 100 ° C):

Em submarinos, geralmente é obtido pela reação de peróxido de sódio e dióxido de carbono exalado por uma pessoa:

Propriedades físicas

Nos oceanos, o conteúdo de O 2 dissolvido é maior em água fria e menor em água quente.

Em condições normais, o oxigênio é um gás incolor, insípido e inodoro.

1 litro dele tem uma massa de 1,429 g. É um pouco mais pesado que o ar. Ligeiramente solúvel em água (4,9 ml/100 g a 0°C, 2,09 ml/100 g a 50°C) e álcool (2,78 ml/100 g a 25°C). Dissolve-se bem em prata fundida (22 volumes de O 2 em 1 volume de Ag a 961°C). Distância interatômica - 0,12074 nm. É paramagnético.

Quando o oxigênio gasoso é aquecido, ocorre sua dissociação reversível em átomos: a 2000 °C - 0,03%, a 2600 °C - 1%, 4000 °C - 59%, 6000 °C - 99,5%.

O oxigênio líquido (ponto de ebulição -182,98 ° C) é um líquido azul pálido.

Diagrama de fase O 2

Oxigênio sólido (ponto de fusão -218,35°C) - cristais azuis. Seis fases cristalinas são conhecidas, das quais três existem a uma pressão de 1 atm.:

α-O 2 - existe em temperaturas abaixo de 23,65 K; cristais azuis brilhantes pertencem ao sistema monoclínico, parâmetros celulares a=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53°.

β-O 2 - existe na faixa de temperatura de 23,65 a 43,65 K; cristais azuis pálidos (com o aumento da pressão, a cor se transforma em rosa) têm uma rede romboédrica, parâmetros de célula a = 4,21 Å, α = 46,25 °.

γ-O 2 - existe em temperaturas de 43,65 a 54,21 K; cristais azuis pálidos têm simetria cúbica, período de rede a = 6,83 Å.

Mais três fases são formadas em altas pressões:

δ-O 2 faixa de temperatura 20-240 K e pressão 6-8 GPa, cristais laranja;

pressão de ε-O 4 de 10 a 96 GPa, cor do cristal de vermelho escuro a preto, sistema monoclínico;

ζ-O n pressão superior a 96 GPa, estado metálico com brilho metálico característico, a baixas temperaturas passa para um estado supercondutor.

Propriedades quimicas

Um forte agente oxidante, interage com quase todos os elementos, formando óxidos. O estado de oxidação é -2. Como regra, a reação de oxidação prossegue com a liberação de calor e acelera com o aumento da temperatura (veja Combustão). Um exemplo de reações que ocorrem à temperatura ambiente:

Oxida compostos que contêm elementos com um estado de oxidação não máximo:

Oxida a maioria dos compostos orgânicos:

Sob certas condições, é possível realizar uma oxidação leve de um composto orgânico:

O oxigênio reage diretamente (em condições normais, quando aquecido e/ou na presença de catalisadores) com todas as substâncias simples, exceto Au e gases inertes (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); reações com halogênios ocorrem sob a influência de uma descarga elétrica ou radiação ultravioleta. Óxidos de ouro e gases inertes pesados ​​(Xe, Rn) foram obtidos indiretamente. Em todos os compostos de dois elementos de oxigênio com outros elementos, o oxigênio desempenha o papel de um agente oxidante, exceto para compostos com flúor

O oxigênio forma peróxidos com o estado de oxidação do átomo de oxigênio formalmente igual a -1.

Por exemplo, os peróxidos são obtidos pela queima de metais alcalinos em oxigênio:

Alguns óxidos absorvem oxigênio:

De acordo com a teoria da combustão desenvolvida por A. N. Bach e K. O. Engler, a oxidação ocorre em duas etapas com a formação de um composto intermediário de peróxido. Este composto intermediário pode ser isolado, por exemplo, quando uma chama de queima de hidrogênio é resfriada com gelo, juntamente com água, o peróxido de hidrogênio é formado:

Nos superóxidos, o oxigênio formalmente tem um estado de oxidação de −½, ou seja, um elétron por dois átomos de oxigênio (o íon O − 2). Obtido pela interação de peróxidos com oxigênio a pressão e temperatura elevadas:

Potássio K, rubídio Rb e césio Cs reagem com o oxigênio para formar superóxidos:

No íon dioxigenil O 2 +, o oxigênio formalmente tem um estado de oxidação de +½. Obter por reação:

Fluoretos de oxigênio

O difluoreto de oxigênio, OF 2 oxigênio estado de oxidação +2, é obtido pela passagem de flúor através de uma solução alcalina:

O monofluoreto de oxigênio (Dioxidifluoreto), O 2 F 2 , é instável, o estado de oxidação do oxigênio é +1. Obtido a partir de uma mistura de flúor e oxigênio em uma descarga incandescente a uma temperatura de -196 ° C:

Passando uma descarga incandescente através de uma mistura de flúor com oxigênio a uma certa pressão e temperatura, são obtidas misturas de fluoretos de oxigênio superiores O 3 F 2, O 4 F 2, O 5 F 2 e O 6 F 2.

Cálculos de mecânica quântica prevêem a existência estável do íon OF 3 + trifluorohidroxônio. Se este íon realmente existe, então o estado de oxidação do oxigênio nele será +4.

O oxigênio suporta os processos de respiração, combustão e decomposição.

Na sua forma livre, o elemento existe em duas modificações alotrópicas: O 2 e O 3 (ozônio). Conforme estabelecido em 1899 por Pierre Curie e Maria Sklodowska-Curie, sob a influência da radiação ionizante, O 2 se transforma em O 3.

Inscrição

O uso industrial generalizado do oxigênio começou em meados do século 20, após a invenção dos turboexpansores - dispositivos para liquefazer e separar o ar líquido.

NOmetalurgia

O método de conversão de produção de aço ou processamento de fosco está associado ao uso de oxigênio. Em muitas unidades metalúrgicas, para uma combustão mais eficiente do combustível, uma mistura oxigênio-ar é usada nos queimadores em vez de ar.

Soldagem e corte de metais

O oxigênio em cilindros azuis é amplamente utilizado para corte por chama e soldagem de metais.

Combustível de foguete

Oxigênio líquido, peróxido de hidrogênio, ácido nítrico e outros compostos ricos em oxigênio são usados ​​como agente oxidante para combustível de foguete. Uma mistura de oxigênio líquido e ozônio líquido é um dos mais poderosos oxidantes de combustível de foguete (o impulso específico de uma mistura de hidrogênio-ozônio excede o impulso específico de um par hidrogênio-flúor e hidrogênio-fluoreto de oxigênio).

NOmedicamento

O oxigênio medicinal é armazenado em cilindros de gás metálico azul de alta pressão (para gases comprimidos ou liquefeitos) de várias capacidades de 1,2 a 10,0 litros sob pressão de até 15 MPa (150 atm) e é usado para enriquecer misturas de gases respiratórios em equipamentos de anestesia, com insuficiência respiratória, para parar um ataque de asma brônquica, eliminar a hipóxia de qualquer origem, com doença descompressiva, para o tratamento de patologia do trato gastrointestinal na forma de coquetéis de oxigênio. Para uso individual, o oxigênio médico dos cilindros é preenchido com recipientes especiais de borracha - travesseiros de oxigênio. Para fornecer oxigênio ou uma mistura oxigênio-ar simultaneamente a uma ou duas vítimas no campo ou em um hospital, são utilizados inaladores de oxigênio de vários modelos e modificações. A vantagem de um inalador de oxigênio é a presença de um condensador-umidificador da mistura gasosa, que utiliza a umidade do ar exalado. Para calcular a quantidade de oxigênio restante no cilindro em litros, a pressão no cilindro em atmosferas (de acordo com o manômetro do redutor) geralmente é multiplicada pela capacidade do cilindro em litros. Por exemplo, em um cilindro com capacidade de 2 litros, o manômetro mostra uma pressão de oxigênio de 100 atm. O volume de oxigênio neste caso é 100 × 2 = 200 litros.

NOIndústria alimentícia

Na indústria alimentícia, o oxigênio é registrado como aditivo alimentar E948, como gás propulsor e de embalagem.

NOindústria química

Na indústria química, o oxigênio é usado como agente oxidante em inúmeras sínteses, por exemplo, a oxidação de hidrocarbonetos em compostos contendo oxigênio (álcoois, aldeídos, ácidos), amônia em óxidos de nitrogênio na produção de ácido nítrico. Devido às altas temperaturas desenvolvidas durante a oxidação, estas últimas são frequentemente realizadas no modo de combustão.

NOagricultura

Em estufas, para fabricação de coquetéis de oxigênio, para ganho de peso em animais, para enriquecimento do ambiente aquático com oxigênio na piscicultura.

O papel biológico do oxigênio

Fornecimento de emergência de oxigênio em um abrigo antiaéreo

A maioria dos seres vivos (aeróbios) respira oxigênio do ar. O oxigênio é amplamente utilizado na medicina. Nas doenças cardiovasculares, para melhorar os processos metabólicos, a espuma de oxigênio (“coquetel de oxigênio”) é introduzida no estômago. A administração subcutânea de oxigênio é usada para úlceras tróficas, elefantíase, gangrena e outras doenças graves. O enriquecimento artificial com ozônio é usado para desinfetar e desodorizar o ar e purificar a água potável. O isótopo radioativo de oxigênio 15 O é usado para estudar a taxa de fluxo sanguíneo, ventilação pulmonar.

Derivados de oxigênio tóxicos

Alguns derivados de oxigênio (as chamadas espécies reativas de oxigênio), como oxigênio singlete, peróxido de hidrogênio, superóxido, ozônio e o radical hidroxila, são produtos altamente tóxicos. Eles são formados no processo de ativação ou redução parcial do oxigênio. Superóxido (radical superóxido), peróxido de hidrogênio e radical hidroxila podem ser formados nas células e tecidos do corpo humano e animal e causar estresse oxidativo.

isótopos

O oxigênio possui três isótopos estáveis: 16 O, 17 O e 18 O, cujo conteúdo médio é respectivamente 99,759%, 0,037% e 0,204% do número total de átomos de oxigênio na Terra. A forte predominância do mais leve deles, 16 O, na mistura de isótopos se deve ao fato de que o núcleo do átomo de 16 O é composto por 8 prótons e 8 nêutrons (núcleo mágico duplo com conchas de nêutrons e prótons preenchidas). E esses núcleos, como segue a teoria da estrutura do núcleo atômico, têm uma estabilidade especial.

Também são conhecidos isótopos de oxigênio radioativos com números de massa de 12 O a 24 O. Todos os isótopos de oxigênio radioativo têm uma meia-vida curta, a mais longa deles é 15 O com meia-vida de ~ 120 s. O isótopo 12 O de vida mais curta tem uma meia-vida de 5,8,10 -22 s.

PROPRIEDADES DO OXIGÊNIO E MÉTODOS PARA SUA PRODUÇÃO

O oxigênio O 2 é o elemento mais abundante na Terra. É encontrado em grandes quantidades na forma de compostos químicos com várias substâncias na crosta terrestre (até 50% em peso), em combinação com hidrogênio na água (cerca de 86% em peso) e em estado livre no ar atmosférico, misturado principalmente com nitrogênio na quantidade de 20,93% vol. (23,15% em peso).

O oxigênio é de grande importância na economia nacional. É amplamente utilizado na metalurgia; indústria química; para tratamento por chama de metais, perfuração a fogo de rochas duras, gaseificação subterrânea de carvão; em medicina e vários aparelhos respiratórios, por exemplo, para voos de alta altitude e em outras áreas.

Em condições normais, o oxigênio é um gás incolor, inodoro e insípido, não inflamável, mas suporta ativamente a combustão. Em temperaturas muito baixas, o oxigênio se transforma em líquido e até sólido.

As constantes físicas mais importantes do oxigênio são as seguintes:

Peso molecular	32
Peso 1 m 3 a 0 ° C e 760 mm Hg. Arte. em kg	1,43
O mesmo a 20 ° C e 760 mm Hg. Arte. em kg	1,33
Temperatura crítica em °С	-118
Pressão crítica em kgf/m 3	51,35
Ponto de ebulição em 760 mm Hg. Arte. em °C	-182,97
Peso de 1 litro de oxigênio líquido a -182, 97 °C e 760 mm Hg. Arte. em kg.	1,13
A quantidade de oxigênio gasoso obtido a partir de 1 litro de líquido a 20 ° C e 760 mm Hg. Arte. em l	850
Temperatura de solidificação a 760 mm Hg. Arte. em °С	-218,4

O oxigênio tem alta atividade química e forma compostos com todos os elementos químicos, exceto gases raros. As reações do oxigênio com substâncias orgânicas têm um caráter exotérmico pronunciado. Assim, quando o oxigênio comprimido interage com substâncias combustíveis gordurosas ou sólidas finamente dispersas, elas são instantaneamente oxidadas e o calor liberado contribui para a combustão espontânea dessas substâncias, podendo causar incêndio ou explosão. Esta propriedade deve ser especialmente levada em consideração ao manusear equipamentos de oxigênio.

Uma das propriedades importantes do oxigênio é sua capacidade de formar misturas amplamente explosivas com gases combustíveis e vapores de combustíveis líquidos, o que também pode levar a explosões na presença de uma chama aberta ou mesmo de uma faísca. Explosivos também são misturas de ar com combustíveis gasosos ou vaporosos.

O oxigênio pode ser obtido: 1) por meios químicos; 2) eletrólise da água; 3) por meios físicos do ar.

Os métodos químicos, que consistem na obtenção de oxigênio a partir de várias substâncias, são ineficientes e atualmente têm apenas significado laboratorial.

A eletrólise da água, ou seja, sua decomposição em componentes - hidrogênio e oxigênio, é realizada em aparelhos chamados eletrolisadores. Uma corrente contínua é passada através da água, na qual a soda cáustica NaOH é adicionada para aumentar a condutividade elétrica; o oxigênio é coletado no ânodo e o hidrogênio é coletado no cátodo. A desvantagem deste método é o alto consumo de energia: 12-15 kW são consumidos por 1 m 3 0 2 (além disso, 2 m 3 H 2 são obtidos). h) Este método é racional na presença de eletricidade barata, bem como na produção de hidrogênio eletrolítico, quando o oxigênio é um produto residual.

O método físico consiste na separação do ar em componentes por resfriamento profundo. Este método permite obter oxigênio em quantidades praticamente ilimitadas e é de grande importância industrial. O consumo de eletricidade por 1 m 3 O 2 é de 0,4-1,6 kW. h, dependendo do tipo de instalação.

OBTENÇÃO DE OXIGÊNIO DO AR

O ar atmosférico é basicamente uma mistura mecânica de três gases com o seguinte teor de volume: nitrogênio - 78,09%, oxigênio - 20,93%, argônio - 0,93%. Além disso, contém cerca de 0,03% de dióxido de carbono e pequenas quantidades de gases raros, hidrogênio, óxido nitroso, etc.

A principal tarefa na obtenção de oxigênio do ar é separar o ar em oxigênio e nitrogênio. Ao longo do caminho, o argônio é separado, cujo uso em métodos especiais de soldagem está aumentando constantemente, bem como gases raros, que desempenham um papel importante em várias indústrias. O nitrogênio tem alguns usos na soldagem como gás de proteção, na medicina e em outros campos.

A essência do método está no resfriamento profundo do ar com sua conversão ao estado líquido, que à pressão atmosférica normal pode ser alcançada na faixa de temperatura de -191,8 ° C (o início da liquefação) a -193,7 ° C (o fim da liquefação).

A separação do líquido em oxigênio e nitrogênio é realizada pela diferença de seus pontos de ebulição, a saber: T kip. o2 \u003d -182,97 ° C; Ponto de ebulição N2 = -195,8°C (a 760 mm Hg).

Com a evaporação gradual do líquido, o nitrogênio, que tem um ponto de ebulição mais baixo, passará primeiro para a fase gasosa e, à medida que for liberado, o líquido será enriquecido com oxigênio. A repetição desse processo muitas vezes permite obter oxigênio e nitrogênio com a pureza necessária. Este método de separação de líquidos em suas partes componentes é chamado de retificação.

Para a produção de oxigênio do ar, existem empresas especializadas equipadas com plantas de alto desempenho. Além disso, grandes empresas metalúrgicas têm suas próprias estações de oxigênio.

As baixas temperaturas necessárias para liquefazer o ar são obtidas por meio dos chamados ciclos de refrigeração. Os principais ciclos de refrigeração usados ​​em instalações modernas são brevemente discutidos abaixo.

O ciclo de refrigeração com estrangulamento do ar é baseado no efeito Joule-Thomson, ou seja, uma queda acentuada na temperatura do gás durante sua expansão livre. O diagrama do ciclo é mostrado na fig. 2.

O ar é comprimido em um compressor multiestágio de 1 a 200 kgf/cm 2 e depois passa pelo resfriador 2 com água corrente. O resfriamento de ar profundo ocorre no trocador de calor 3 por um fluxo reverso de gás frio do coletor de líquido (liquefator) 4. Como resultado da expansão do ar na válvula borboleta 5, ele é resfriado adicionalmente e parcialmente liquefeito.

A pressão na coleção 4 é regulada dentro de 1-2 kgf/cm 2 . O líquido é drenado periodicamente do coletor para recipientes especiais através da válvula 6. A parte não liquefeita do ar é removida através do trocador de calor, resfriando novas porções do ar que entra.

O ar é resfriado gradualmente até a temperatura de liquefação; quando a unidade é ligada, há um período de inicialização durante o qual não é observada liquefação do ar, mas apenas a unidade esfria. Este período leva várias horas.

A vantagem do ciclo é sua simplicidade e a desvantagem é o consumo de energia relativamente alto - até 4,1 kW. h por 1 kg de ar liquefeito a uma pressão do compressor de 200 kgf/cm 2 ; em pressão mais baixa, o consumo específico de energia aumenta acentuadamente. Este ciclo é utilizado em instalações de pequena e média capacidade de produção de oxigénio gasoso.

Um pouco mais complexo é o ciclo de estrangulamento com pré-resfriamento de amônia.

O ciclo de refrigeração de média pressão com expansão no expansor baseia-se na diminuição da temperatura do gás durante a expansão com o retorno do trabalho externo. Além disso, o efeito Joule-Thomson também é usado. O diagrama do ciclo é mostrado na fig. 3.

O ar é comprimido no compressor de 1 a 20-40 kgf/cm 2, passa pelo refrigerador 2 e depois pelos trocadores de calor 3 e 4. Após o trocador de calor 3, a maior parte do ar (70-80%) é enviado para a máquina de expansão do pistão-expansor 6, e a menor parte do ar (20-30%) vai para a expansão livre na válvula borboleta 5 e depois no coletor 7, que possui uma válvula 8 para drenagem do líquido. No expansor 6

o ar, já resfriado no primeiro trocador de calor, funciona - empurra o pistão da máquina, sua pressão cai para 1 kgf / cm 2, devido ao qual a temperatura cai drasticamente. Do expansor, o ar frio, com temperatura de cerca de -100 ° C, é descarregado para fora através dos trocadores de calor 4 e 3, resfriando o ar de entrada. Assim, o expansor proporciona um resfriamento muito eficiente da planta a uma pressão relativamente baixa no compressor. O trabalho do expansor é utilizado de forma útil e isso compensa parcialmente a energia gasta na compressão do ar no compressor.

As vantagens do ciclo são: uma pressão de compressão relativamente baixa, que simplifica o projeto do compressor e uma maior capacidade de refrigeração (graças ao expansor), que garante um funcionamento estável da unidade quando o oxigênio é recebido na forma líquida.

Ciclo de refrigeração de baixa pressão com expansão em turboexpansor, desenvolvido pela Acad. P. L. Kapitsa, baseia-se na utilização de ar de baixa pressão com produção de frio apenas devido à expansão deste ar numa turbina de ar (turbo expansor) com produção de trabalho externo. O diagrama do ciclo é mostrado na fig. quatro.

O ar é comprimido pelo turbocompressor 1 a 6-7 kgf/cm 2 , resfriado com água no resfriador 2 e entra nos regeneradores 3 (trocadores de calor), onde é resfriado por um fluxo reverso de ar frio. Até 95% do ar após os regeneradores é enviado para o turbo expansor 4, expande a uma pressão absoluta de 1 kgf/cm 2 com a realização de trabalhos externos e é resfriado rapidamente, após o que é alimentado no espaço do tubo de o condensador 5 e condensa o restante do ar comprimido (5%), entrando no anel. Do condensador 5, o fluxo de ar principal é direcionado para os regeneradores e resfria o ar de entrada, e o ar líquido passa pela válvula borboleta 6 para o coletor 7, de onde é drenado pela válvula 8. O diagrama mostra um regenerador , mas na realidade eles são instalados vários e ligados por sua vez.

As vantagens de um ciclo de baixa pressão com turboexpansor são: maior eficiência das turbomáquinas em comparação com as máquinas do tipo pistão, simplificação do esquema tecnológico e maior confiabilidade e segurança contra explosão da instalação. O ciclo é utilizado em instalações de alta produtividade.

A separação do ar líquido em componentes é realizada por meio de um processo de retificação, cuja essência é que a mistura vaporosa de nitrogênio e oxigênio formada durante a evaporação do ar líquido passa por um líquido com menor teor de oxigênio. Como há menos oxigênio no líquido e mais nitrogênio, ele tem uma temperatura mais baixa que o vapor que passa por ele, e isso causa a condensação do oxigênio do vapor e o enriquecimento do líquido com evaporação simultânea do nitrogênio do líquido, ou seja, , o enriquecimento do vapor acima do líquido.

Uma ideia da essência do processo de retificação pode ser dada pelo mostrado na Fig. 5 é um diagrama simplificado do processo de evaporação e condensação múltipla de ar líquido.

Assumimos que o ar consiste apenas de nitrogênio e oxigênio. Imagine que existem vários vasos conectados entre si (I-V), no superior há ar líquido com teor de 21% de oxigênio. Devido ao arranjo escalonado dos vasos, o líquido fluirá para baixo e, ao mesmo tempo, será gradualmente enriquecido com oxigênio e sua temperatura aumentará.

Suponhamos que no vaso II haja um líquido contendo 30% 0 2 , no vaso III - 40%, no vaso IV - 50% e no vaso V - 60% de oxigênio.

Para determinar o teor de oxigênio na fase de vapor, usamos um gráfico especial - fig. 6, cujas curvas indicam o teor de oxigênio em líquido e vapor em várias pressões.

Vamos começar a evaporar o líquido no recipiente V a uma pressão absoluta de 1 kgf/cm 2 . Como pode ser visto a partir da fig. 6, acima do líquido neste recipiente, constituído por 60% 0 2 e 40% N 2, pode haver um vapor de equilíbrio na composição, contendo 26,5% 0 2 e 73,5% N 2, tendo a mesma temperatura do líquido . Alimentamos esse vapor no recipiente IV, onde o líquido contém apenas 50% 0 2 e 50% N 2 e, portanto, estará mais frio. Da fig. 6 pode-se observar que acima deste líquido, o vapor pode conter apenas 19% 0 2 e 81% N 2, e somente neste caso sua temperatura será igual à temperatura do líquido neste recipiente.

Portanto, o vapor fornecido ao vaso IV do vaso V, contendo 26,5% de O 2 , tem uma temperatura mais alta do que o líquido no vaso IV; portanto, o oxigênio do vapor condensa-se no líquido do recipiente IV, e parte do nitrogênio dele evaporará. Como resultado, o líquido no recipiente IV será enriquecido com oxigênio e o vapor acima dele com nitrogênio.

Da mesma forma, o processo ocorrerá em outros vasos e, assim, ao drenar dos vasos superiores para os inferiores, o líquido é enriquecido com oxigênio, condensando-o dos vapores ascendentes e dando-lhes seu nitrogênio.

Continuando o processo, você pode obter um vapor composto por nitrogênio quase puro e, na parte inferior, oxigênio líquido puro. De fato, o processo de retificação que ocorre nas colunas de destilação das usinas de oxigênio é muito mais complicado do que o descrito, mas seu conteúdo fundamental é o mesmo.

Independentemente do esquema tecnológico da instalação e do tipo de ciclo de refrigeração, o processo de produção de oxigênio a partir do ar inclui as seguintes etapas:

1) purificação do ar de poeira, vapor de água e dióxido de carbono. A ligação do CO 2 é conseguida passando ar através de uma solução aquosa de NaOH;

2) compressão de ar no compressor com posterior resfriamento em refrigeradores;

3) resfriamento de ar comprimido em trocadores de calor;

4) expansão do ar comprimido em válvula borboleta ou expansor para seu resfriamento e liquefação;

5) liquefação e retificação do ar para obtenção de oxigênio e nitrogênio;

6) descarga de oxigênio líquido em tanques estacionários e remoção de oxigênio gasoso em reservatórios de gás;

7) controle de qualidade do oxigênio resultante;

8) enchimento de tanques de transporte com oxigênio líquido e enchimento de cilindros com oxigênio gasoso.

A qualidade do oxigênio gasoso e líquido é regulada pelos GOSTs relevantes.

De acordo com GOST 5583-58, é produzido oxigênio técnico gasoso de três graus: o mais alto - com um teor de pelo menos 99,5% O 2, o 1º - pelo menos 99,2% O 2 e o 2º - pelo menos 98,5% O 2 , o resto é árgon e azoto (0,5-1,5%). O teor de umidade não deve exceder 0,07 g/l 3 . O oxigênio obtido por eletrólise da água não deve conter mais de 0,7% de hidrogênio em volume.

De acordo com o GOST 6331-52, é produzido oxigênio líquido de dois graus: grau A com um teor de pelo menos 99,2% O 2 e grau B com um teor de pelo menos 98,5% O 2. O teor de acetileno no oxigênio líquido não deve exceder 0,3 cm 3 /l.

Usado para a intensificação de vários processos nas empresas das indústrias metalúrgica, química e outras, o oxigênio tecnológico contém 90-98% de O 2 .

O controle de qualidade do oxigênio gasoso e líquido é realizado diretamente no processo de produção usando instrumentos especiais.

Administração Avaliação geral do artigo: Publicados: 2012.06.01

Pergunta número 2 Como o oxigênio é obtido no laboratório e na indústria? Escreva as equações para as reações correspondentes. Como esses métodos diferem uns dos outros?

Responda:

No laboratório, o oxigênio pode ser obtido das seguintes maneiras:

1) Decomposição do peróxido de hidrogênio na presença de um catalisador (óxido de manganês

2) Decomposição do sal de Berthollet (clorato de potássio):

3) Decomposição do permanganato de potássio:

Na indústria, o oxigênio é obtido do ar, que contém cerca de 20% em volume. O ar é liquefeito sob pressão e com forte resfriamento. O oxigênio e o nitrogênio (o segundo principal componente do ar) têm pontos de ebulição diferentes. Portanto, eles podem ser separados por destilação: o nitrogênio tem um ponto de ebulição mais baixo que o oxigênio, então o nitrogênio evapora antes do oxigênio.

Diferenças entre métodos industriais e laboratoriais para a produção de oxigênio:

1) Todos os métodos laboratoriais para obtenção de oxigênio são químicos, ou seja, neste caso, algumas substâncias são convertidas em outras. O processo de obtenção de oxigênio do ar é um processo físico, pois não ocorre a transformação de algumas substâncias em outras.

2) O oxigênio pode ser obtido do ar em quantidades muito maiores.

Esta lição é dedicada ao estudo dos métodos modernos de obtenção de oxigênio. Você aprenderá por quais métodos e de quais substâncias o oxigênio é obtido no laboratório e na indústria.

Tópico: Substâncias e suas transformações

Lição:Obtenção de oxigênio

Para fins industriais, o oxigênio deve ser obtido em grandes volumes e o mais barato possível. Este método de obtenção de oxigênio foi proposto pelo ganhador do Prêmio Nobel Peter Leonidovich Kapitsa. Ele inventou a planta de liquefação do ar. Como você sabe, cerca de 21% em volume de oxigênio está no ar. O oxigênio pode ser separado do ar líquido por destilação, porque Todas as substâncias no ar têm diferentes pontos de ebulição. O ponto de ebulição do oxigênio é -183°C, e o do nitrogênio é -196°C. Isso significa que durante a destilação do ar liquefeito, o nitrogênio ferverá e evaporará primeiro e depois o oxigênio.

No laboratório, o oxigênio não é necessário em quantidades tão grandes como na indústria. Geralmente é trazido em cilindros de aço azul nos quais está sob pressão. Em alguns casos, ainda é necessário obter oxigênio quimicamente. Para isso, são usadas reações de decomposição.

EXPERIMENTO 1. Despeje uma solução de peróxido de hidrogênio em uma placa de Petri. À temperatura ambiente, o peróxido de hidrogênio se decompõe lentamente (não vemos sinais de reação), mas esse processo pode ser acelerado pela adição de alguns grãos de óxido de manganês (IV) à solução. Ao redor dos grãos de óxido preto, bolhas de gás imediatamente começam a se destacar. Isso é oxigênio. Não importa quanto tempo demore a reação, os grãos de óxido de manganês(IV) não se dissolvem na solução. Ou seja, o óxido de manganês(IV) participa da reação, a acelera, mas não é consumido nela.

As substâncias que aceleram uma reação, mas não são consumidas na reação, são chamadas catalisadores.

Reações aceleradas por catalisadores são chamadas catalítico.

A aceleração de uma reação por um catalisador é chamada de catálise.

Assim, o óxido de manganês (IV) serve como um catalisador na decomposição do peróxido de hidrogênio. Na equação da reação, a fórmula do catalisador é escrita acima do sinal de igual. Vamos escrever a equação da reação realizada. Quando o peróxido de hidrogênio se decompõe, o oxigênio é liberado e a água é formada. A liberação de oxigênio da solução é mostrada por uma seta apontando para cima:

2. Uma única coleção de recursos educacionais digitais ().

3. Versão eletrônica da revista "Química e Vida" ().

Trabalho de casa

Com. 66-67 №№ 2 - 5 do livro de exercícios em química: 8ª série: para o livro de P.A. Orzhekovsky e outros.“Química. Grau 8" / O.V. Ushakova, P.I. Bespalov, P. A. Orzhekovsky; debaixo. ed. prof. P.A. Orzhekovsky - M.: AST: Astrel: Profizdat, 2006.