Kyslík zaberá 21 % atmosférického vzduchu. Najviac sa ho nachádza v zemskej kôre, sladkej vode a živých mikroorganizmoch. Používa sa v mnohých priemyselných odvetviach a používa sa pre domáce a zdravotnícke potreby. Dopyt po látke je spôsobený chemickými a fyzikálnymi vlastnosťami.
Ako sa vyrába kyslík v priemysle. 3 metódy
Výroba kyslíka v priemysle sa uskutočňuje delením atmosférického vzduchu. Používajú sa na to nasledujúce metódy:
Výroba kyslíka v priemyselnom meradle má veľký význam. Zvýšenú pozornosť treba venovať výberu techniky a vhodného vybavenia. Urobené chyby môžu negatívne ovplyvniť technologický proces a viesť k zvýšeniu nákladov po porážke.
Technické vlastnosti zariadení na výrobu kyslíka v priemysle
Generátory priemyselného typu "OXIMAT" pomáhajú zaviesť proces získavania kyslíka v plynnom stave. Ich technické vlastnosti a konštrukčné vlastnosti sú zamerané na získanie tejto látky v priemysle požadovanej čistoty a požadovaného množstva počas dňa (bez prerušenia). Je potrebné poznamenať, že zariadenie môže pracovať v akomkoľvek režime, so zastávkami alebo bez nich. Jednotka pracuje pod tlakom. Na vstupe musí byť vysušený vzduch v stlačenom stave bez vlhkosti. Poskytujú sa modely malej, priemernej a veľkej produktivity.
Plán:
História objavov
Pôvod mena
Byť v prírode
Potvrdenie
Fyzikálne vlastnosti
Chemické vlastnosti
Aplikácia
10. Izotopy
Kyslík
Kyslík- prvok 16. skupiny (podľa zastaranej klasifikácie - hlavná podskupina VI. skupiny), druhá perióda periodickej sústavy chemických prvkov D. I. Mendelejeva, s atómovým číslom 8. Označuje sa symbolom O (lat. Oxygenium). Kyslík je reaktívny nekov a je najľahším prvkom zo skupiny chalkogénov. jednoduchá látka kyslík(číslo CAS: 7782-44-7) za normálnych podmienok - bezfarebný plyn bez chuti a zápachu, ktorého molekula pozostáva z dvoch atómov kyslíka (vzorec O 2), v súvislosti s ktorým sa nazýva aj dikyslík Kvapalný kyslík má svetlomodrá a tuhá látka sú svetlomodré kryštály.
Existujú aj iné alotropné formy kyslíka, napríklad ozón (číslo CAS: 10028-15-6) - za normálnych podmienok modrý plyn so špecifickým zápachom, ktorého molekula pozostáva z troch atómov kyslíka (vzorec O 3).
História objavov
Oficiálne sa predpokladá, že kyslík objavil anglický chemik Joseph Priestley 1. augusta 1774 rozkladom oxidu ortuti v hermeticky uzavretej nádobe (Priestley nasmeroval slnečné lúče na túto zlúčeninu pomocou výkonnej šošovky).
Priestley si však spočiatku neuvedomil, že objavil novú jednoduchú látku, domnieval sa, že izoloval jednu zo základných častí vzduchu (a nazval tento plyn „deflogistický vzduch“). Priestley oznámil svoj objav vynikajúcemu francúzskemu chemikovi Antoineovi Lavoisierovi. V roku 1775 A. Lavoisier zistil, že kyslík je neoddeliteľnou súčasťou vzduchu, kyselín a nachádza sa v mnohých látkach.
O niekoľko rokov skôr (v roku 1771) švédsky chemik Carl Scheele získal kyslík. Kalcinoval ľadok kyselinou sírovou a potom rozložil výsledný oxid dusnatý. Scheele nazval tento plyn „ohnivý vzduch“ a svoj objav opísal v knihe vydanej v roku 1777 (práve preto, že kniha vyšla neskôr, ako Priestley oznámil svoj objav, ten je považovaný za objaviteľa kyslíka). Scheele tiež oznámil svoje skúsenosti Lavoisierovi.
Dôležitou etapou, ktorá prispela k objavu kyslíka, bola práca francúzskeho chemika Pierra Bayena, ktorý publikoval prácu o oxidácii ortuti a následnom rozklade jej oxidu.
Nakoniec A. Lavoisier s využitím informácií od Priestleyho a Scheeleho konečne zistil povahu výsledného plynu. Jeho dielo malo veľký význam, pretože vďaka nemu bola zvrhnutá teória flogistónu, ktorá v tom čase dominovala a brzdila rozvoj chémie. Lavoisier uskutočnil experiment so spaľovaním rôznych látok a vyvrátil teóriu flogistónu zverejnením výsledkov o hmotnosti spálených prvkov. Hmotnosť popola presahovala počiatočnú hmotnosť prvku, čo dalo Lavoisierovi právo tvrdiť, že pri spaľovaní dochádza k chemickej reakcii (oxidácii) látky, v súvislosti s tým sa zvyšuje hmotnosť pôvodnej látky, čo vyvracia teória flogistónu.
Zásluhu na objave kyslíka teda v skutočnosti zdieľajú Priestley, Scheele a Lavoisier.
Pôvod mena
Slovo kyslík (na začiatku 19. storočia sa ešte nazývalo „kyselina“), jeho výskyt v ruskom jazyku je do určitej miery zásluhou M. V. Lomonosova, ktorý zaviedol spolu s inými neologizmami slovo „kyselina“; teda slovo „kyslík“ bolo zase pauzovacím papierom výrazu „kyslík“ (francúzsky oxygène), ktorý navrhol A. Lavoisier (z iného gréckeho ὀξύς – „kyslý“ a γεννάω – „rodím“), čo sa prekladá ako „vytvárajúca kyselina“, čo je spojené s jeho pôvodným významom – „kyselina“, čo predtým znamenalo látky nazývané oxidy podľa modernej medzinárodnej nomenklatúry.
Byť v prírode
Kyslík je najbežnejším prvkom na Zemi, jeho podiel (ako súčasť rôznych zlúčenín, najmä kremičitanov) predstavuje asi 47,4 % hmotnosti pevnej zemskej kôry. Morské a sladké vody obsahujú obrovské množstvo viazaného kyslíka – 88,8 % (hmotn.), v atmosfére je obsah voľného kyslíka 20,95 % objemu a 23,12 % hmotnosti. Viac ako 1500 zlúčenín zemskej kôry obsahuje vo svojom zložení kyslík.
Kyslík je súčasťou mnohých organických látok a je prítomný vo všetkých živých bunkách. Z hľadiska počtu atómov v živých bunkách je to asi 25%, z hľadiska hmotnostného zlomku - asi 65%.
Potvrdenie
V súčasnosti sa v priemysle získava kyslík zo vzduchu. Hlavnou priemyselnou metódou získavania kyslíka je kryogénna destilácia. V priemysle sú dobre známe a úspešne používané aj kyslíkové elektrárne založené na membránovej technológii.
V laboratóriách sa používa priemyselný kyslík dodávaný v oceľových fľašiach pod tlakom asi 15 MPa.
Malé množstvá kyslíka možno získať zahrievaním manganistanu draselného KMnO 4:
Používa sa aj reakcia katalytického rozkladu peroxidu vodíka H 2 O 2 v prítomnosti oxidu mangánu:
Kyslík možno získať katalytickým rozkladom chlorečnanu draselného (bertoletovej soli) KClO 3:
Laboratórne metódy výroby kyslíka zahŕňajú metódu elektrolýzy vodných roztokov alkálií, ako aj rozklad oxidu ortuti (II) (pri t = 100 ° C):
Na ponorkách sa zvyčajne získava reakciou peroxidu sodného a oxidu uhličitého vydychovaného osobou:
Fyzikálne vlastnosti
V oceánoch je obsah rozpusteného O 2 väčší v studenej vode a menší v teplej vode.
Za normálnych podmienok je kyslík bezfarebný plyn bez chuti a zápachu.
Jeho 1 liter má hmotnosť 1,429 g. Je o niečo ťažší ako vzduch. Mierne rozpustný vo vode (4,9 ml/100 g pri 0 °C, 2,09 ml/100 g pri 50 °C) a alkohole (2,78 ml/100 g pri 25 °C). Dobre sa rozpúšťa v roztavenom striebre (22 objemov O 2 v 1 objeme Ag pri 961 °C). Medziatómová vzdialenosť - 0,12074 nm. Je paramagnetická.
Pri zahrievaní plynného kyslíka dochádza k jeho reverzibilnej disociácii na atómy: pri 2000 °C - 0,03 %, pri 2600 °C - 1 %, 4000 °C - 59 %, 6000 °C - 99,5 %.
Kvapalný kyslík (bod varu -182,98 °C) je svetlomodrá kvapalina.
O 2 fázový diagram
Pevný kyslík (teplota topenia −218,35°C) - modré kryštály. Je známych šesť kryštalických fáz, z ktorých tri existujú pri tlaku 1 atm.:
α-O 2 - existuje pri teplotách pod 23,65 K; svetlomodré kryštály patria do monoklinického systému, parametre bunky a=5,403 Á, b=3,429 Á, c=5,086 Á; p = 132,53°.
β-O 2 - existuje v teplotnom rozsahu od 23,65 do 43,65 K; bledomodré kryštály (so stúpajúcim tlakom sa farba mení na ružovú) majú romboedrickú mriežku, parametre bunky a=4,21 Å, α=46,25°.
γ-O 2 - existuje pri teplotách od 43,65 do 54,21 K; bledomodré kryštály majú kubickú symetriu, periódu mriežky a=6,83 Á.
Pri vysokom tlaku vznikajú ďalšie tri fázy:
δ-02 teplotný rozsah 20-240 K a tlak 6-8 GPa, oranžové kryštály;
ε-O 4 tlak od 10 do 96 GPa, farba kryštálu od tmavo červenej po čiernu, monoklinický systém;
ζ-O n tlak viac ako 96 GPa, kovový stav s charakteristickým kovovým leskom, pri nízkych teplotách prechádza do supravodivého stavu.
Chemické vlastnosti
Silné oxidačné činidlo, interaguje s takmer všetkými prvkami a vytvára oxidy. Oxidačný stav je -2. Oxidačná reakcia spravidla prebieha s uvoľňovaním tepla a zrýchľuje sa so zvyšujúcou sa teplotou (pozri Spaľovanie). Príklad reakcií prebiehajúcich pri izbovej teplote:
Oxiduje zlúčeniny, ktoré obsahujú prvky s nemaximálnym oxidačným stavom:
Oxiduje väčšinu organických zlúčenín:
Za určitých podmienok je možné uskutočniť miernu oxidáciu organickej zlúčeniny:
Kyslík reaguje priamo (za normálnych podmienok, pri zahrievaní a/alebo v prítomnosti katalyzátorov) so všetkými jednoduchými látkami, okrem Au a inertných plynov (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); reakcie s halogénmi sa vyskytujú pod vplyvom elektrického výboja alebo ultrafialového žiarenia. Nepriamo boli získané oxidy zlata a ťažké inertné plyny (Xe, Rn). Vo všetkých dvojprvkových zlúčeninách kyslíka s inými prvkami hrá kyslík úlohu oxidačného činidla, s výnimkou zlúčenín s fluórom
Kyslík tvorí peroxidy s oxidačným stavom atómu kyslíka formálne rovným -1.
Napríklad peroxidy sa získavajú spaľovaním alkalických kovov v kyslíku:
Niektoré oxidy absorbujú kyslík:
Podľa teórie spaľovania vyvinutej A. N. Bachom a K. O. Englerom prebieha oxidácia v dvoch stupňoch za vzniku medziproduktu peroxidovej zlúčeniny. Túto medziproduktovú zlúčeninu je možné izolovať napríklad vtedy, keď sa plameň horiaceho vodíka ochladí ľadom a spolu s vodou sa vytvorí peroxid vodíka:
V superoxidoch má kyslík formálne oxidačný stav -½, to znamená jeden elektrón na dva atómy kyslíka (ión O -2). Získané interakciou peroxidov s kyslíkom pri zvýšenom tlaku a teplote:
Draslík K, rubídium Rb a cézium Cs reagujú s kyslíkom za vzniku superoxidov:
V dioxygenylovom ióne O2+ má kyslík formálne oxidačný stav +½. Získajte podľa reakcie:
Fluoridy kyslíka
Fluorid kyslíku, OF 2 oxidačný stupeň kyslíka +2, sa získa prechodom fluóru cez alkalický roztok:
Monofluorid kyslíku (dioxydifluorid), O 2 F 2, je nestabilný, oxidačný stav kyslíka je +1. Získané zo zmesi fluóru a kyslíka v žeravom výboji pri teplote -196 °C:
Prechodom žeravého výboja cez zmes fluóru s kyslíkom pri určitom tlaku a teplote sa získajú zmesi vyšších fluoridov kyslíka O 3 F 2, O 4 F 2, O 5 F 2 a O 6 F 2.
Kvantovo-mechanické výpočty predpovedajú stabilnú existenciu OF3+ trifluórhydroxóniového iónu. Ak tento ión skutočne existuje, oxidačný stav kyslíka v ňom bude +4.
Kyslík podporuje procesy dýchania, horenia a rozkladu.
Vo svojej voľnej forme prvok existuje v dvoch alotropných modifikáciách: O 2 a O 3 (ozón). Ako stanovili v roku 1899 Pierre Curie a Maria Sklodowska-Curie, vplyvom ionizujúceho žiarenia sa O 2 mení na O 3.
Aplikácia
Široké priemyselné využitie kyslíka sa začalo v polovici 20. storočia, po vynáleze turboexpandérov – zariadení na skvapalňovanie a oddeľovanie kvapalného vzduchu.
AThutníctvo
Konvertorová metóda výroby ocele alebo matného spracovania je spojená s použitím kyslíka. V mnohých hutníckych jednotkách sa na efektívnejšie spaľovanie paliva používa v horákoch namiesto vzduchu zmes kyslíka a vzduchu.
Zváranie a rezanie kovov
Kyslík v modrých valcoch sa široko používa na rezanie plameňom a zváranie kovov.
Raketové palivo
Ako oxidačné činidlo pre raketové palivo sa používa kvapalný kyslík, peroxid vodíka, kyselina dusičná a ďalšie zlúčeniny bohaté na kyslík. Zmes tekutého kyslíka a tekutého ozónu je jedným z najvýkonnejších okysličovačov raketového paliva (špecifický impulz zmesi vodík-ozón prevyšuje špecifický impulz pre pár vodík-fluór a fluorovodík-kyslík).
ATliek
Medicinálny kyslík sa skladuje v modrých vysokotlakových kovových plynových fľašiach (na stlačené alebo skvapalnené plyny) rôznych objemov od 1,2 do 10,0 litrov pod tlakom do 15 MPa (150 atm) a používa sa na obohatenie zmesí dýchacích plynov v anestéziologických zariadeniach, s. respiračné zlyhanie, na zastavenie záchvatu bronchiálnej astmy, odstránenie hypoxie akéhokoľvek pôvodu, s dekompresnou chorobou, na liečbu patológie gastrointestinálneho traktu vo forme kyslíkových koktailov. Pre individuálne použitie je medicinálny kyslík z tlakových fliaš plnený špeciálnymi pogumovanými nádobami – kyslíkovými vankúšmi. Na súčasné zásobovanie kyslíkom alebo zmesou kyslík-vzduch jednej alebo dvoch obetí v teréne alebo v nemocnici sa používajú kyslíkové inhalátory rôznych modelov a modifikácií. Výhodou kyslíkového inhalátora je prítomnosť kondenzátora-zvlhčovača zmesi plynov, ktorý využíva vlhkosť vydychovaného vzduchu. Na výpočet množstva zostávajúceho kyslíka vo fľaši v litroch sa tlak vo fľaši v atmosférách (podľa manometra reduktora) zvyčajne vynásobí objemom valca v litroch. Napríklad vo fľaši s objemom 2 litre ukazuje tlakomer tlak kyslíka 100 atm. Objem kyslíka je v tomto prípade 100 × 2 = 200 litrov.
ATPotravinársky priemysel
V potravinárskom priemysle je kyslík registrovaný ako potravinárska prísada E948, ako hnací plyn a baliaci plyn.
ATchemický priemysel
V chemickom priemysle sa kyslík používa ako oxidačné činidlo v mnohých syntézach, napríklad oxidácia uhľovodíkov na zlúčeniny obsahujúce kyslík (alkoholy, aldehydy, kyseliny), amoniak na oxidy dusíka pri výrobe kyseliny dusičnej. V dôsledku vysokých teplôt vznikajúcich počas oxidácie sa oxidácia často vykonáva v režime spaľovania.
ATpoľnohospodárstvo
V skleníkoch, na výrobu kyslíkových kokteilov, na priberanie u zvierat, na obohacovanie vodného prostredia kyslíkom pri chove rýb.
Biologická úloha kyslíka
Núdzové zásobovanie kyslíkom v bombovom kryte
Väčšina živých vecí (aeróbov) dýcha kyslík zo vzduchu. Kyslík je široko používaný v medicíne. Pri kardiovaskulárnych ochoreniach sa na zlepšenie metabolických procesov do žalúdka zavádza kyslíková pena („kyslíkový koktail“). Podkožné podávanie kyslíka sa využíva pri trofických vredoch, elefantiáze, gangréne a iných závažných ochoreniach. Umelé obohatenie ozónom sa používa na dezinfekciu a dezodoráciu vzduchu a čistenie pitnej vody. Rádioaktívny izotop kyslíka 15 O sa používa na štúdium rýchlosti prietoku krvi, pľúcnej ventilácie.
Toxické kyslíkové deriváty
Niektoré deriváty kyslíka (tzv. reaktívne formy kyslíka), ako je singletový kyslík, peroxid vodíka, superoxid, ozón a hydroxylový radikál, sú vysoko toxické produkty. Vznikajú v procese aktivácie alebo čiastočnej redukcie kyslíka. Superoxid (superoxidový radikál), peroxid vodíka a hydroxylový radikál sa môžu vytvárať v bunkách a tkanivách ľudského a zvieracieho tela a spôsobujú oxidačný stres.
izotopy
Kyslík má tri stabilné izotopy: 16 O, 17 O a 18 O, ktorých priemerný obsah je 99,759 %, 0,037 % a 0,204 % z celkového počtu atómov kyslíka na Zemi. Prudká prevaha najľahšieho z nich, 16 O, v zmesi izotopov je spôsobená tým, že jadro atómu 16 O pozostáva z 8 protónov a 8 neutrónov (dvojité magické jadro s naplnenými neutrónovými a protónovými obalmi). A také jadrá, ako vyplýva z teórie štruktúry atómového jadra, majú zvláštnu stabilitu.
Známe sú aj izotopy rádioaktívneho kyslíka s hmotnostnými číslami od 12 O do 24 O. Všetky izotopy rádioaktívneho kyslíka majú krátky polčas rozpadu, najdlhší z nich je 15 O s polčasom ~120 s. Najkratší izotop 12O má polčas rozpadu 5,8·10 −22 s.
VLASTNOSTI KYSLÍKA A METÓDY JEHO VÝROBY
Kyslík O 2 je najrozšírenejším prvkom na Zemi. Vo veľkom množstve sa nachádza vo forme chemických zlúčenín s rôznymi látkami v zemskej kôre (až 50 % hm.), v kombinácii s vodíkom vo vode (asi 86 % hm.) a vo voľnom stave v atmosférickom vzduchu, zmiešaný hlavne s dusíkom v množstve 20,93 % obj. (23,15 % hmotn.).
Kyslík má v národnom hospodárstve veľký význam. Je široko používaný v metalurgii; chemický priemysel; na plameňové spracovanie kovov, požiarne vŕtanie tvrdých hornín, podzemné splyňovanie uhlia; v medicíne a rôznych dýchacích prístrojoch, napríklad pre lety vo veľkých výškach a v iných oblastiach.
Za normálnych podmienok je kyslík bezfarebný plyn bez zápachu a chuti, nehorľavý, ale aktívne podporuje horenie. Pri veľmi nízkych teplotách sa kyslík mení na kvapalinu a dokonca aj na pevnú látku.
Najdôležitejšie fyzikálne konštanty kyslíka sú nasledovné:
| Molekulová hmotnosť | 32 |
| Hmotnosť 1 m3 pri 0 °C a 760 mm Hg. čl. v kg | 1,43 |
| To isté pri 20 ° C a 760 mm Hg. čl. v kg | 1,33 |
| Kritická teplota v °C | -118 |
| Kritický tlak v kgf / m 3 | 51,35 |
| Bod varu pri 760 mm Hg. čl. v °C | -182,97 |
| Hmotnosť 1 litra tekutého kyslíka pri -182, 97 °C a 760 mm Hg. čl. v kg. |
1,13 |
| Množstvo plynného kyslíka získaného z 1 litra kvapaliny pri 20 °C a 760 mm Hg. čl. v l |
850 |
| Teplota tuhnutia 760 mm Hg. čl. v °C | -218,4 |
Kyslík má vysokú chemickú aktivitu a tvorí zlúčeniny so všetkými chemickými prvkami, okrem vzácnych plynov. Reakcie kyslíka s organickými látkami majú výrazný exotermický charakter. Takže pri interakcii stlačeného kyslíka s mastnými alebo jemne rozptýlenými pevnými horľavými látkami dochádza k ich okamžitej oxidácii a uvoľnené teplo prispieva k samovznieteniu týchto látok, čo môže spôsobiť požiar alebo výbuch. Túto vlastnosť treba brať do úvahy najmä pri manipulácii s kyslíkovým zariadením.
Jednou z dôležitých vlastností kyslíka je jeho schopnosť vytvárať s horľavými plynmi a parami kvapalných horľavín široko výbušné zmesi, ktoré môžu viesť k výbuchom aj v prítomnosti otvoreného ohňa alebo dokonca iskry. Výbušniny sú tiež zmesi vzduchu s plynnými alebo parnými horľavinami.
Kyslík možno získať: 1) chemickými prostriedkami; 2) elektrolýza vody; 3) fyzickými prostriedkami zo vzduchu.
Chemické metódy, ktoré spočívajú v získavaní kyslíka z rôznych látok, sú neefektívne a v súčasnosti majú len laboratórny význam.
Elektrolýza vody, t.j. jej rozklad na zložky - vodík a kyslík, sa vykonáva v prístrojoch nazývaných elektrolyzéry. Vodou prechádza jednosmerný prúd, do ktorého sa pridáva hydroxid sodný NaOH na zvýšenie elektrickej vodivosti; kyslík sa zhromažďuje na anóde a vodík sa zhromažďuje na katóde. Nevýhodou tejto metódy je vysoká spotreba energie: 12-15 kW sa spotrebuje na 1 m 3 0 2 (navyše sa získa 2 m 3 H2). h) Tento spôsob je racionálny v prítomnosti lacnej elektriny, ako aj pri výrobe elektrolytického vodíka, keď je kyslík odpadovým produktom.
Fyzikálna metóda spočíva v separácii vzduchu na zložky hlbokým chladením. Táto metóda umožňuje získať kyslík v prakticky neobmedzenom množstve a má veľký priemyselný význam. Spotreba elektrickej energie na 1 m 3 O 2 je 0,4-1,6 kW. h, v závislosti od typu inštalácie.
ZÍSKAVANIE KYSLÍKA ZO VZDUCHU
Atmosférický vzduch je v podstate mechanická zmes troch plynov s nasledujúcim objemovým obsahom: dusík - 78,09%, kyslík - 20,93%, argón - 0,93%. Okrem toho obsahuje asi 0,03% oxidu uhličitého a malé množstvo vzácnych plynov, vodíka, oxidu dusného atď.
Hlavnou úlohou pri získavaní kyslíka zo vzduchu je rozdeliť vzduch na kyslík a dusík. Cestou sa separuje argón, ktorého využitie v špeciálnych metódach zvárania neustále narastá, ako aj vzácne plyny, ktoré zohrávajú významnú úlohu v rade priemyselných odvetví. Dusík má určité využitie pri zváraní ako ochranný plyn, v medicíne a iných oblastiach.
Podstata metódy spočíva v hĺbkovom ochladzovaní vzduchu s jeho premenou do kvapalného skupenstva, čo pri normálnom atmosférickom tlaku možno dosiahnuť v rozmedzí teplôt od -191,8 °C (začiatok skvapalňovania) do -193,7 °C (tj. koniec skvapalňovania).
Separácia kvapaliny na kyslík a dusík sa vykonáva pomocou rozdielu ich teplôt varu, a to: T kip. o2 \u003d -182,97 ° C; Teplota varu N2 = -195,8 °C (pri 760 mm Hg).
Postupným odparovaním kvapaliny prejde dusík, ktorý má nižší bod varu, najskôr do plynnej fázy a pri jeho uvoľňovaní sa kvapalina obohacuje o kyslík. Mnohonásobné opakovanie tohto procesu umožňuje získať kyslík a dusík požadovanej čistoty. Tento spôsob rozdeľovania kvapalín na ich zložky sa nazýva rektifikácia.
Na výrobu kyslíka zo vzduchu existujú špecializované podniky vybavené vysokovýkonnými zariadeniami. Okrem toho majú veľké kovospracujúce podniky svoje vlastné kyslíkové stanice.
Nízke teploty potrebné na skvapalnenie vzduchu sa dosahujú pomocou takzvaných chladiacich cyklov. Hlavné chladiace cykly používané v moderných zariadeniach sú stručne uvedené nižšie.
Chladiaci cyklus so škrtením vzduchu je založený na Joule-Thomsonovom efekte, t.j. prudkom poklese teploty plynu pri jeho voľnej expanzii. Schéma cyklu je znázornená na obr. 2.
Vzduch je stlačený vo viacstupňovom kompresore 1 až 200 kgf/cm 2 a potom prechádza cez chladič 2 s tečúcou vodou. Hlboké chladenie vzduchom prebieha vo výmenníku 3 spätným tokom studeného plynu zo zberača kvapalín (skvapalňovača) 4. V dôsledku expanzie vzduchu v škrtiacej klapke 5 sa dodatočne ochladzuje a čiastočne skvapalňuje.
Tlak v zbere 4 je regulovaný v rozmedzí 1-2 kgf/cm2. Kvapalina je periodicky odvádzaná z kolektora do špeciálnych nádob cez ventil 6. Neskvapalnená časť vzduchu sa odstraňuje cez výmenník tepla, čím sa ochladzujú nové časti vstupujúceho vzduchu.
Vzduch sa postupne ochladzuje na teplotu skvapalnenia; keď je jednotka zapnutá, nastáva doba spustenia, počas ktorej nie je pozorované žiadne skvapalňovanie vzduchu, ale iba sa jednotka ochladzuje. Toto obdobie trvá niekoľko hodín.
Výhodou cyklu je jeho jednoduchosť a nevýhodou pomerne vysoký príkon - až 4,1 kW. h na 1 kg skvapalneného vzduchu pri tlaku kompresora 200 kgf/cm2; pri nižšom tlaku sa merná spotreba energie prudko zvyšuje. Tento cyklus sa používa v zariadeniach s malou a strednou kapacitou na výrobu plynného kyslíka.
O niečo zložitejší je cyklus škrtenia s predchladením amoniakom.
Stredotlakový chladiaci cyklus s expanziou v expandéri je založený na znižovaní teploty plynu pri expanzii s návratom vonkajšej práce. Okrem toho sa využíva aj Joule-Thomsonov efekt. Schéma cyklu je znázornená na obr. 3.
Vzduch je stlačený v kompresore 1 na 20-40 kgf / cm 2, prechádza cez chladničku 2 a potom cez výmenníky tepla 3 a 4. Po výmenníku tepla 3 je väčšina vzduchu (70-80%) odoslaná do piestového expanzného stroja-expandéra 6 a menšia časť vzduchu (20-30%) ide do voľnej expanzie do škrtiaceho ventilu 5 a potom do zberača 7, ktorý má ventil 8 na vypúšťanie kvapaliny. V expandéri 6
vzduch, už ochladený v prvom výmenníku tepla, funguje - tlačí piest stroja, jeho tlak klesá na 1 kgf / cm 2, vďaka čomu teplota prudko klesá. Z expandéra je studený vzduch s teplotou asi -100 °C vypúšťaný von cez výmenníky tepla 4 a 3, čím sa ochladzuje prichádzajúci vzduch. Expandér teda poskytuje veľmi účinné chladenie zariadenia pri relatívne nízkom tlaku v kompresore. Práca expandéra je užitočná a to čiastočne kompenzuje energiu vynaloženú na stlačenie vzduchu v kompresore.
Výhody cyklu sú: relatívne nízky kompresný tlak, ktorý zjednodušuje konštrukciu kompresora a zvýšený chladiaci výkon (vďaka expandéru), ktorý zabezpečuje stabilnú prevádzku jednotky pri odbere kyslíka v kvapalnej forme.
Nízkotlakový chladiaci cyklus s expanziou v turboexpandéri, vyvinutý spoločnosťou Acad. P. L. Kapitsa, je založený na použití nízkotlakového vzduchu s výrobou chladu len vďaka expanzii tohto vzduchu vo vzduchovej turbíne (turboexpandéri) s výrobou externej práce. Schéma cyklu je znázornená na obr. 4.
Vzduch je stlačený turbodúchadlom 1 na 6-7 kgf/cm 2, ochladzovaný vodou v chladiči 2 a vstupuje do regenerátorov 3 (výmenníkov tepla), kde je ochladzovaný spätným prúdením studeného vzduchu. Až 95 % vzduchu po regenerátoroch je odoslaných do turboexpandéra 4, pri výkone vonkajšej práce expanduje na absolútny tlak 1 kgf / cm 2 a rýchlo sa ochladí, po čom sa privádza do priestoru rúrok kondenzátor 5 a kondenzuje zvyšok stlačeného vzduchu (5 %), ktorý vstupuje do medzikružia. Z kondenzátora 5 je hlavný prúd vzduchu nasmerovaný do regenerátorov a ochladzuje prichádzajúci vzduch a kvapalný vzduch je vedený cez škrtiacu klapku 6 do kolektora 7, z ktorého odteká cez ventil 8. Schéma znázorňuje jeden regenerátor , ale v skutočnosti je ich nainštalovaných niekoľko a postupne sa zapínajú.
Výhody nízkotlakového obehu s turboexpandérom sú: vyššia účinnosť lopatkových strojov v porovnaní s piestovými strojmi, zjednodušenie technologickej schémy a zvýšená spoľahlivosť a výbuchová bezpečnosť zariadenia. Cyklus sa používa v zariadeniach s vysokou produktivitou.
Separácia kvapalného vzduchu na zložky sa uskutočňuje pomocou rektifikačného procesu, ktorého podstatou je, že parná zmes dusíka a kyslíka vznikajúca pri odparovaní kvapalného vzduchu prechádza cez kvapalinu s nižším obsahom kyslíka. Keďže v kvapaline je menej kyslíka a viac dusíka, má nižšiu teplotu ako para, ktorá ňou prechádza, a to spôsobuje kondenzáciu kyslíka z pár a obohacovanie kvapaliny za súčasného vyparovania dusíka z kvapaliny, t.j. , obohatenie pary nad kvapalinou .
Predstavu o podstate procesu nápravy môže poskytnúť ten, ktorý je znázornený na obr. 5 je zjednodušená schéma procesu viacnásobného odparovania a kondenzácie kvapalného vzduchu.
Predpokladáme, že vzduch pozostáva len z dusíka a kyslíka. Predstavte si, že je niekoľko nádob navzájom spojených (I-V), v hornej je kvapalný vzduch s obsahom 21% kyslíka. Striedavým usporiadaním nádob bude kvapalina stekať nadol a zároveň sa bude postupne obohacovať o kyslík a bude sa zvyšovať jej teplota.
Predpokladajme, že v nádobe II je kvapalina obsahujúca 30% 0 2, v nádobe III - 40%, v nádobe IV - 50% a v nádobe V - 60% kyslíka.
Na určenie obsahu kyslíka v parnej fáze používame špeciálny graf - obr. 6, ktorého krivky ukazujú obsah kyslíka v kvapaline a pare pri rôznych tlakoch.
Začnime odparovať kvapalinu v nádobe V pri absolútnom tlaku 1 kgf/cm 2 . Ako je možné vidieť na obr. 6, nad kvapalinou v tejto nádobe, pozostávajúcej zo 60 % 02 a 40 % N2, môže byť v zložení rovnovážna para obsahujúca 26,5 % 02 a 73,5 % N2, ktorá má rovnakú teplotu ako kvapalina. Túto paru privádzame do nádoby IV, kde kvapalina obsahuje len 50 % 0 2 a 50 % N 2 a preto bude chladnejšia. Z obr. 6 je vidieť, že nad touto kvapalinou môže para obsahovať len 19 % 0 2 a 81 % N 2 a len v tomto prípade bude jej teplota rovná teplote kvapaliny v tejto nádobe.
Preto para privádzaná do nádoby IV z nádoby V, obsahujúca 26,5 % O2, má vyššiu teplotu ako kvapalina v nádobe IV; preto kyslík z pary kondenzuje v kvapaline nádoby IV a časť dusíka z nej sa vyparí. Výsledkom je, že kvapalina v nádobe IV bude obohatená kyslíkom a para nad ňou dusíkom.
Podobne bude proces prebiehať aj v iných nádobách, a teda pri odvádzaní z horných nádob do spodných sa kvapalina obohacuje o kyslík, ktorý kondenzuje zo stúpajúcich pár a dodáva im dusík.
Pokračujúc v procese nahor, môžete získať paru pozostávajúcu z takmer čistého dusíka av spodnej časti - čistého kvapalného kyslíka. V skutočnosti je proces rektifikácie, ktorý sa vyskytuje v destilačných kolónach kyslíkových zariadení, oveľa komplikovanejší, ako je opísané, ale jeho základný obsah je rovnaký.
Bez ohľadu na technologickú schému zariadenia a typ chladiaceho cyklu, proces výroby kyslíka zo vzduchu zahŕňa nasledujúce fázy:
1) čistenie vzduchu od prachu, vodnej pary a oxidu uhličitého. Väzba CO 2 sa dosiahne prechodom vzduchu cez vodný roztok NaOH;
2) kompresia vzduchu v kompresore s následným chladením v chladničkách;
3) chladenie stlačeného vzduchu vo výmenníkoch tepla;
4) expanzia stlačeného vzduchu v škrtiacej klapke alebo expandéri na jeho chladenie a skvapalňovanie;
5) skvapalnenie a rektifikáciu vzduchu na získanie kyslíka a dusíka;
6) vypúšťanie kvapalného kyslíka do stacionárnych nádrží a odstraňovanie plynného kyslíka do zásobníkov plynu;
7) kontrola kvality výsledného kyslíka;
8) plnenie prepravných nádrží tekutým kyslíkom a plnenie fliaš plynným kyslíkom.
Kvalita plynného a kvapalného kyslíka je regulovaná príslušnými GOST.
Podľa GOST 5583-58 sa vyrába plynný technický kyslík troch stupňov: najvyšší - s obsahom najmenej 99,5% O2, prvý - najmenej 99,2% O2 a druhý - najmenej 98,5% O2, zvyšok je argón a dusík (0,5-1,5%). Obsah vlhkosti by nemal presiahnuť 0,07 g/l 3 . Kyslík získaný elektrolýzou vody nesmie obsahovať viac ako 0,7 % objemu vodíka.
Podľa GOST 6331-52 sa vyrába kvapalný kyslík dvoch stupňov: stupeň A s obsahom najmenej 99,2 % O2 a stupeň B s obsahom najmenej 98,5 % O2. Obsah acetylénu v kvapalnom kyslíku by nemal presiahnuť 0,3 cm 3 /l.
Technologický kyslík používaný na intenzifikáciu rôznych procesov v podnikoch hutníckeho, chemického a iného priemyslu obsahuje 90-98% O 2 .
Kontrola kvality plynného, ale aj kvapalného kyslíka sa vykonáva priamo vo výrobnom procese pomocou špeciálnych prístrojov.
Administrácia Celkové hodnotenie článku: Publikovaný: 2012.06.01
Otázka číslo 2 Ako sa získava kyslík v laboratóriu a v priemysle? Napíšte rovnice zodpovedajúcich reakcií. Ako sa tieto metódy navzájom líšia?
odpoveď:
V laboratóriu možno kyslík získať nasledujúcimi spôsobmi:
1) Rozklad peroxidu vodíka v prítomnosti katalyzátora (oxid mangánu
2) Rozklad Bertholletovej soli (chlorečnan draselný):
3) Rozklad manganistanu draselného:
V priemysle sa kyslík získava zo vzduchu, ktorého obsahuje asi 20 % objemu. Vzduch sa skvapalňuje pod tlakom a pri silnom chladení. Kyslík a dusík (druhá hlavná zložka vzduchu) majú rozdielne teploty varu. Preto sa dajú oddeliť destiláciou: dusík má nižší bod varu ako kyslík, takže dusík sa vyparí skôr ako kyslík.
Rozdiely medzi priemyselnými a laboratórnymi metódami výroby kyslíka:
1) Všetky laboratórne metódy získavania kyslíka sú chemické, to znamená, že v tomto prípade sa niektoré látky premieňajú na iné. Proces získavania kyslíka zo vzduchu je fyzikálny proces, pretože k premene niektorých látok na iné nedochádza.
2) Kyslík je možné získať zo vzduchu v oveľa väčších množstvách.
Táto lekcia je venovaná štúdiu moderných metód získavania kyslíka. Dozviete sa, akými metódami a z akých látok sa získava kyslík v laboratóriu a priemysle.
Téma: Látky a ich premeny
lekcia:Získavanie kyslíka
Na priemyselné účely sa kyslík musí získavať vo veľkých objemoch a čo najlacnejšie. Tento spôsob získavania kyslíka navrhol nositeľ Nobelovej ceny Peter Leonidovič Kapitsa. Vynašiel zariadenie na skvapalňovanie vzduchu. Ako viete, asi 21% objemu kyslíka je vo vzduchu. Kyslík možno od kvapalného vzduchu oddeliť destiláciou, pretože Všetky látky vo vzduchu majú rôzne teploty varu. Teplota varu kyslíka je -183 °C a teplota varu dusíka -196 °C. To znamená, že pri destilácii skvapalneného vzduchu bude najskôr vrieť a odparovať sa dusík a potom kyslík.
V laboratóriu nie je potrebný kyslík v takom veľkom množstve ako v priemysle. Zvyčajne sa prináša v modrých oceľových valcoch, v ktorých je pod tlakom. V niektorých prípadoch je stále potrebné získavať kyslík chemicky. Na tento účel sa používajú rozkladné reakcie.
POKUS 1. Nalejte roztok peroxidu vodíka do Petriho misky. Pri izbovej teplote sa peroxid vodíka pomaly rozkladá (nevidíme známky reakcie), ale tento proces je možné urýchliť pridaním niekoľkých zrniek oxidu mangánu (IV) do roztoku. Okolo zŕn čierneho oxidu okamžite začnú vyčnievať bubliny plynu. Toto je kyslík. Bez ohľadu na to, ako dlho reakcia trvá, zrnká oxidu mangánu (IV) sa v roztoku nerozpustia. To znamená, že oxid manganičitý sa zúčastňuje reakcie, urýchľuje ju, ale sám sa v nej nespotrebováva.
Látky, ktoré urýchľujú reakciu, ale nie sú pri reakcii spotrebované, sa nazývajú katalyzátory.
Reakcie urýchlené katalyzátormi sa nazývajú katalytický.
Urýchlenie reakcie katalyzátorom sa nazýva katalýza.
Oxid mangánu (IV) teda slúži ako katalyzátor pri rozklade peroxidu vodíka. V reakčnej rovnici je vzorec katalyzátora napísaný nad znakom rovnosti. Zapíšme si rovnicu uskutočnenej reakcie. Pri rozklade peroxidu vodíka sa uvoľňuje kyslík a vzniká voda. Uvoľňovanie kyslíka z roztoku je znázornené šípkou smerujúcou nahor:
2. Jednotná zbierka digitálnych vzdelávacích zdrojov ().
3. Elektronická verzia časopisu "Chémia a život" ().
Domáca úloha
s 66-67 №№ 2 - 5 z Pracovného zošita z chémie: 8. ročník: k učebnici P.A. Oržekovskij a ďalší.„Chémia. Stupeň 8” / O.V. Ushakova, P.I. Bespalov, P.A. Oržekovskij; pod. vyd. Prednášal prof. P.A. Oržekovskij - M.: AST: Astrel: Profizdat, 2006.
