История сжижения кислорода под конец превратилась в соперничество. Но кто возьмет верх: инженер, всю жизнь проработавший на металлургическом заводе, или специалист по физике низких температур в Женевском университете? Лед или пламень, теория или практика, Эйфелева башня или Суэцкий канал одержат победу? Об этом читайте в рубрике «История науки».

Жидкий кислород, налитый в химический стакан, а не в сосуд Дьюара, удивит вас красивым голубым цветом. Этот цвет в прямом смысле небесной лазури – ведь этот газ составляет 21% воздуха. Но первым человеком, получившим его, был вполне приземленный инженер и владелец завода, не привыкший мечтами парить в небесах.

Луи-Поль Кайете родился в Бургундии, в живописной коммуне Шатийон-сюр-Сен. Школьное образование он начал получать там же, продолжил в Париже, а затем поступил в Горный институт вместе с братом Камилем. Там, в химической лаборатории, Луи познакомился со множеством будущих знаменитостей французского научного мира. Окончив институт, братья совершили несколько поездок в Англию, Австрию и Германию, тоже с образовательными целями: там они увидели самые современные доменные печи и прокатные станы, знакомились с самым передовым оборудованием. Но заниматься всю жизнь одной наукой не получилось: отец и дед молодых людей состарились, и дома, в Бургундии, нужна была помощь в работе на металлургическом заводе.

Шатийон-сюр-Сен

Myrabella / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

Но и там Луи не прекратил научных изысканий. Сначала он занялся исследованием процессов горения древесины в печах, показав, что этот процесс приводит к выделению углекислого газа. Была у него слабость и к ботанике: свободное время он уделял своей небольшой оранжерее, где выращивал редкие орхидеи и бегонии, в результате даже опубликовав несколько статей по физиологии растений.

Оранжерея Кайете

Francois Darbois/Wikipedia

После того, как его брат умер от туберкулеза, а отец и дед – от старости в 1860-х годах, Луи-Поль Кайете остался единственным владельцем завода. Но это только подстегнуло его исследования. Он занялся изучением выплавки чугуна и участием в ней разных газов. Для понимания процессов в плавильных печах ученому нужно было измерить температуру и давление. Однако существующие приборы не работали в большом диапазоне температур и давлений, и Кайете посвятил полтора десятка лет своей жизни усовершенствованию манометров и термометров, а также изучению зависимости объема газов от давления и температуры, описанной законом Бойля-Мариотта.

Луи-Поль Кайете

Wikimedia Commons

В 1870 году на первом этаже оранжереи он построил себе лабораторию, оборудованную мощным гидравлическим насосом, чтобы изучать химические вещества при высоком давлении и температуре. Итогом его работы стал манометр, способный измерить давление до 400 атмосфер. В 1891 году он даже установил свой манометр на Эйфелевой башне.

Тогда Кайете и заинтересовался сжатием газов и решил получить их в жидком виде. В ноябре 1877 года он проводил опыты по сжижению ацетилена и диоксида азота, сначала сжимая их под большим давлением, а потом охлаждая их другими сжиженными газами. Кайете использовал эффект Джоуля-Томпсона, зная, что если замораживать газ при сильном давлении, а затем позволить ему резко расшириться, температура газа упадет еще больше.

Аппарат Кайете для сжижения газов

Popular Science Monthly Volume 12/Wikipedia

Но оборудование было несовершенным и не идеально герметичным, поэтому сжигаемый газ просачивался наружу. И только по небольшому облачку в сосуде он понял, что эксперименты увенчались успехом. Перед публикацией результатов Кайете проверил, не вызывают ли образование облачка примеси в ацетилене. Но, как выяснилось, и химически чистый ацетилен из лучших парижских химических лабораторий вел себя точно также. Но сжижать ацетилен было несложно, чего нельзя сказать о водороде (с которым, кстати, Кайете совладать так и не сможет – его аппарат неспособен был охладить этот газ до нужных температур, около -200°C).

Воодушевленный первым успехом, Луи-Поль Кайете приступил к работе по сжижению атмосферных газов. Начать он решил с кислорода. Схема опыта была похожей: сначала ученый довел давление в сосуде до 300 атмосфер, потом охладил газ до -29°C, а затем заставил расшириться при помощи паров диоксида серы. И снова получилось облачко капель, сконденсировавшихся в результате охлаждения. Свой отчет Кайете представил Академии наук 24 декабря. Но там его настигло неприятное известие: оказалось, что другой ученый уже прислал им телеграмму о сжижении кислорода два дня назад.

Рауль Пикет

Wikimedia Commons

Этим ученым был физик из Женевы Рауль Пикте. Он был третьим из пяти отпрысков старинного швейцарского рода. Получив образование в Париже, Пикте к тому времени уже семь лет возглавлял кафедру в Женевском университете, занимаясь физикой низких температур. До этого он успел поработать в Египте во время строительства Суэцкого канала, реорганизовав образовательные учреждения в этой стране.

В отличие от своего французского соперника, он сам не занимался инженерным делом и прикладной наукой, хотя и верил в важность образования в обеих областях. Несмотря на это, у него, несомненно, был изобретательский талант: уже в 23 года он сконструировал холодильную установку, которая производила 15 килограммов льда в час. Идея Пикте о том, что в холодильных установках должна быть смесь двух веществ, была развита в дальнейшем и использована на практике при создании холодильников и криогенного оборудования.

Лаборатория Рауля Пикте

Ch. Baude/L"Illustration, du 19 janvier 1878, vol. LXXI, p. 45, et L"Exposition de Paris, journal hebdomadaire, du 28 mai 1878, N°4, p. 28

Методы получения сжиженного кислорода Кайете и Пикте различались: швейцарец подверг кислород сжатию до 320 атмосфер, охладив его до -140°C при помощи паров сернистой и угольной кислот (по сути, оксидами серы (IV) и углекислым газом). Но, самое главное, оба метода работали, а фактически опыты Кайете увенчались успехом раньше, несмотря на то, что он долго составлял свой отчет.

Разрешить спор помог Анри Девиль – французский физикохимик, разработавший промышленный способ производства алюминия и преподаватель Сорбонны. Также он ввел теорию диссоциации – разложения вещества при нагревании – и изготовил эталоны метра и килограмма из сплава платины и иридия для Международной комиссии мер и весов в 1872 году. К такому влиятельному ученому нельзя было не прислушаться. Так на чьей же он был стороне? Оказалось, Девиль, друг Кайете, получил от него письмо, датированное 2 декабря, с точным и полным описанием опыта по получению кислорода. При возникновении разногласий Анри Девиль тут же доставил доказательства секретарю Академии наук. Так Луи-Поль Кайете и стал известен как первый ученый, получивший кислород в жидком виде.

Жидкий кислород (ЖК, англ. Liquid oxygen, LOX) - жидкость бледно-синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам. Является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода. ЖК обладает удельной плотностью 1,141 г/см³ и имеет умеренно криогенные свойства с точкой замерзания 50,5 K (−222,65 °C) и точкой кипения 90,188 K (−182,96 °C).
Жидкий кислород активно используется в космической и газовой отраслях, при эксплуатации подводных лодок, широко используется в медицине. Обычно промышленное получение основывается на фракционной перегонке воздуха. Коэффициент расширения (англ. expansion ratio) кислорода при смене агрегатного состояния на газообразное составляет 860:1 при 20 °C, что иногда используется в системах снабжения кислородом для дыхания в коммерческих и военных самолётах. Основным и практически неисчерпаемым источником получения жидкого кислорода является атмосферный воздух: производится сжижение воздуха и последующее разделение его на кислород и азот.

Общие сведения.

В периодической системе химических элементов Менделеева кислород обозначается символом 0 (от латинского Oxygenium). В нормальных условиях кислород представляет собой очень активный газ, не ощутимый органами чувств человека (т.е. не имеющий запаха, вкуса или цвета). Молекула кислорода обычно двухатомная (формула ее О2), реже трехатомная (О3, такое молекулярное состояние кислорода называют озоном, этот газ обладает весьма специфическим запахом). Кислород является самым распространенным в пределах планеты химическим элементом. Он не только на четверть заполняет атмосферу Земли, но и присутствует во всех внутренних оболочках планеты в составе силикатов (оксиды кремния, из которых состоит вулканическая магма).

История открытия

Существует точная дата экспериментального обнаружения кислорода – 1 августа 1774 года, о чем заявил англичанин Джозеф Пристли. Однако, как часто бывает в химии, всю сущность своего открытия он не осознал, тем самым частично отдав лавры первооткрывателя своим коллегам.
По факту, первым открыл кислород тремя годами ранее шведский естествоиспытатель и фармацевт Карл Шееле (1771 год), когда поставил эксперимент по прокаливанию селитры серной кислотой и последующим разложением оксида азота на составляющие: азот и кислород. Шееле дал новому газу имя «огненный воздух», но опубликовал свои эксперименты только в 1777 году. К этому времени Джозеф Пристли уже провел свои опыты и заявил о своем открытии, хотя и неправильно интерпретировал результаты своего эксперимента. Оба ученых рассказали о своих опытах величайшему химику того времени Антуану Лавуазье. Именно последний в 1775 году установил, что кислород является отдельным химическим элементом, а его двухатомная молекула входит в состав атмосферного воздуха. Труды Лавуазье навсегда опровергли одно из главных заблуждений в химии того времени, теорию флогистона, которой пытались объяснить процессы горения и окисления веществ.
А «официальный» первооткрыватель Джозеф Пристли прославился тем, что в рамках своих многочисленных экспериментов открыл для науки сразу несколько важных химических соединений, среди которых оксиды углерода и серы, аммиак и хлор.

Свойства кислорода

Физические свойства кислорода в нормальных условиях характеризуют его как бесцветный газ, не ощутимый человеком. Обладает плотностью 1,429 кг/м3. Слабо растворяется в воде. При нагревании молекула О2 начинает обратимо диссоциировать на атомы: от 0,03 % всех молекул при +2000 °C до 99,5% при +6000 °C.
В жидком состоянии кислород представляет собой бледно-голубую жидкость, закипающую при 182,9 °C. Твердый кислород имеет вид кристаллов синего цвета, температура плавления которых -218,7°С.
Кислород встречается в составе свыше 1500 соединений земной коры. Атом кислорода присутствует в воде и в живых клетках всех организмов планеты. Кислород является чрезвычайно сильным окислителем и вступает в реакции практическими со всеми другими элементами. Исключение составляют инертные газы и золото, которые не окисляются. В результате реакций взаимодействия с кислородом появляются оксиды. Реакции протекают с выделением тепла и катализируются с повышением температуры, что приводит к процессу горения.

Применение кислорода.

Применение кислорода в промышленном производстве стало возможным с изобретением детандеров в середине прошлого столетия. Детандеры преобразуют потенциальную энергию газа в механическую, при этом газ совершает работу и охлаждается. Таким образом проводят сжижение и разделение воздуха, получая в итоге азот и кислород.
Кислород, будучи сильнейшим окислителем, способствует полному сгоранию топлива, что используется в разных отраслях промышленности. Выплавка металла из руды невозможна без использования кислорода. Жидкий кислород применяется как окислитель для ракетного топлива, особенно в смеси с озоном. Не только космические корабли, но и все современные самолеты не могут обойтись без кислорода во время полета. За один трансокеанический перелет сжигается свыше 10 тонн жидкого кислорода.
В металлургии кислород применяется при конвертерном производстве стали и прокатных изделий. Также он необходим при газопламенной сварке и резке металлов. Используется в качестве реактива-окислителя при синтезе спиртов, альдегидов, аммиака в химической промышленности.
В пищевой промышленности выступает в роли пропеллента (для распыления других веществ), в качестве упаковочного газа и даже как пищевая добавка (Е 948).
В медицине применяется в специальных баллонах в сжиженном состоянии для разных целей: применим в качестве ингалятора, устраняет гипоксию, обогащает дыхательные смеси при наркозе, восстанавливает работу желудочно-кишечного тракта (т.н. кислородные коктейли).
В рыбоводстве кислородом насыщают водную среду для увеличения продуктивности (в теплой воде содержание кислорода ниже, чем в холодной, но большая часть промысловых рыб не способна жить при низких температурах водной среды).

Интересные факты

Содержание кислорода в современной атмосфере — 21% — является необходимым и достаточным для функционирования человека как живого существа. Однако в крупных городах количество кислорода снижено до 17-18%. Это объясняется нехваткой зеленых растений, фотосинтезирующая деятельность которых как раз и восполняет баланс газообразного кислорода в атмосфере. При неблагоприятных метеорологических условиях содержание кислорода в городской черте может опуститься и до 10%, что критично для нашей жизнедеятельности. Ведь при 7%-ном содержании кислорода в воздухе человек погибает. Синдром нехватки кислорода называется гипоксией и проявляется в общей слабости, быстрой утомляемости, бессоннице, снижении внимания, частыми головными болями и повышенной восприимчивости к инфекциям. Считается, что именно нехватка кислорода в мозге обуславливает депрессию.
У человека есть рефлекторный прием кратковременного увеличения количества кислорода в организме – зевота. Считается, что мы зеваем именно в том случае, когда содержание кислорода в головном мозге падает ниже нормального уровня.
В горных местностях воздух более разрежен и содержание в нем кислорода понижено. В ходе эволюции у коренных жителей таких территорий порог чувствительности к нехватке кислорода снизился. Поэтому, жители Непала, Бутана, Боливии, Грузии прекрасно себя чувствуют на высотах свыше 3-4 километров, в то время как представители других национальностей чувствуют усталость, тошноту, а при подъеме выше вынуждены пользоваться кислородными масками.Кислород применяется в самых различных сферах науки, промышленности и сельского хозяйства.

Компания ООО «Спецсервис» осуществляет доставку жидкого кислорода в любой город России.

Исходя из условий поставки и необходимого объема продукции мы сможем предложить Вам оптимальную цену.

Короткий путь http://bibt.ru

Глава II. Сварочные материалы.

§ 1. Кислород. Газообразный кислород. Жидкий кислород.

Высокотемпературное сварочное пламя, необходимое для газопламенной обработки, образуется при сгорании горючих газов или жидкостей в смеси с техническим кислородом.

Газообразный кислород. При нормальной температуре и давлении кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса. При очень низких температурах газообразный кислород может превратиться в жидкость и даже в твердое вещество. Кислород не горит, но активно поддерживает горение, при котором выделяется значительное количество тепла. При соединении сжатого кислорода с маслами, жирами и другими горючими веществами может произойти самовоспламенение Соединение его с горючими газами или парами горючих жидкостей при наличии открытого огня или даже искры может привести к взрыву.

Технический газообразный кислород для газопламенной обработки выпускается трех сортов ГОСТ 5583-68*:

1-го сорта, содержащего не менее 99,7% чистого кислорода (по объему).

2-го сорта - не менее 99,5% и 3-го - не менее 99,2%.

Примесями в кислороде являются азот, аргон, углекислый газ, водяные пары и другие составляющие атмосферного воздуха.

Жидкий кислород. При температуре ниже -183° С и нормальном давлении газообразный кислород превращается в голубоватую, подвижную и легкоиспаряющуюся жидкость. При этом занимаемый газом объем уменьшается примерно в 850 раз. При нагревании жидкий кислород снова превращается в газ. Жидкий кислород выпускается двух сортов (ГОСТ 6331-68): сорт А с содержанием не менее 99,2% кислорода и сорт Б с содержанием не менее 98,5% кислорода. В жидком состоянии кислород находится только при получении, хранении и транспортировке. Для газопламенной обработки его превращают снова в газообразное состояние.

• Жи́дкий кислоро́д (ЖК, англ. Liquid oxygen, LOX) - жидкость бледно-синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам. Является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода. Жидкий кислород обладает плотностью 1,141 г/см³ и имеет умеренно криогенные свойства с точкой замерзания 50,5 K (−222,65 °C) и точкой кипения 90,188 K (−182,96 °C). Жидкий кислород активно используется в космической и газовой отраслях, при эксплуатации подводных лодок, широко используется в медицине. Обычно промышленное получение основывается на фракционной перегонке воздуха. Коэффициент расширения (англ. expansion ratio) кислорода при смене жидкого агрегатного состояния на газообразное составляет 860:1 при 20 °C, что иногда используется в системах снабжения кислородом для дыхания в коммерческих и военных самолётах.

  Основным и практически неисчерпаемым источником получения жидкого кислорода является атмосферный воздух: производится сжижение воздуха и последующее разделение его на кислород и азот.

  Из-за своей криогенной природы жидкий кислород может вызвать хрупкость материалов, которые находятся с ним в соприкосновении. Жидкий кислород также является очень мощным окислительным агентом: органическое вещество быстро сгорает в его среде с большим выделением тепла. Более того, некоторые из этих веществ, будучи пропитанными жидким кислородом имеют свойство непредсказуемо взрываться. Нефтепродукты часто демонстрируют такое поведение, включая асфальт.

  Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетных топлив обычно в комбинации с жидким водородом или керосином. Его использование обусловлено высоким удельным импульсом, который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях. Кислород - самый дешевый из применяемых компонентов ракетных топлив. Первое использование имело место в германской БР Фау-2, позднее в американских БР «Редстоун» и РН «Атлас», а также в советской МБР Р-7. Жидкий кислород активно использовался в ранних МБР, но более поздние версии этих ракет его не используют из-за криогенной природы и необходимости регулярной дозаправки для компенсации выкипания окислителя, что затрудняет быстрый запуск. Многие современные ЖРД используют ЖК в качестве окислителя, например RS-24, РД-180.

  В качестве уплотнительных прокладочных материалов в системах с жидким кислородом применяются материалы, не теряющие эластичности при низких температурах: паронит, фторопласты, отожженные медь и алюминий. Хранение и транспортировка больших количеств жидкого кислорода осуществляется в ёмкостях объёмом от нескольких десятков до 1500 м³ из нержавеющей стали, снабженных теплоизоляцией. Наружный, защитный кожух теплоизоляции может выполняться и из углеродистой стали. Резервуары транспортных ёмкостей изготавливаются также из сплава АМц. Применение вакуумно-порошковой или экранно-вакуумной теплоизоляции позволяет снизить суточные потери кипящего продукта до уровня 0,1 - 0,5 % (в зависимости от размеров ёмкости) и скорость повышения температуры переохлажденного - до 0,4 - 0,5 К в сутки. Транспортировка кипящего кислорода производится с открытым вентилем газосброса, а переохлажденного - при закрытом вентиле, с контролем давления не реже 2 раз в сутки; при повышении давления больше, чем на 0,02 МПа (изб.) вентиль открывается.

  Жидкий кислород также активно использовался при изготовлении взрывчатки «Оксиликвит», но сейчас она редко используется из-за большого количества инцидентов и несчастных случаев.

  Для объяснения отклонения парамагнетических свойств жидкого кислорода от закона Кюри американским физикохимиком Г. Льюисом в 1924 году была предложена молекула тетракислорода (англ. tetraoxygen) (O4). На сегодняшний день теория Льюиса считается лишь частично верной: компьютерное моделирование показывает, что хотя в жидком кислороде не образуется стабильных молекул O4, молекулы O2 на самом деле имеют тенденцию ассоциировать в пары с противоположными спинами, которые формируют временные объединения O2-O2.

  Жидкий азот имеет более низкую точку кипения 77 K (−196 °C) и устройства, которые содержат жидкий азот могут конденсировать кис

Где бы мы ни находились, нас всюду окружает кислород воздуха.

Почему же мы не замечаем и не чувствуем его? Кислород, азот, аргон и другие газы, входящие в состав воздуха, бесцветны и не имеют ни запаха, ни вкуса. Газообразный воздух нельзя ни видеть, ни ощущать.

Воздух из газообразного состояния можно перевести в жидкое. Одновременно с основной массой воздуха - азотом - в жидкое состояние перейдут кислород и большинство других газов, входящих в его состав.

Чтобы газообразный кислород превратить в жидкость, его нужно сжать до 50 атмосфер и охладить до -119°.

Жидкий кислород можно получить и при атмосферном давлении, но для этого нужно газообразный кислород охладить до температуры -183°. При более сильном охлаждении, до температуры -220°, жидкий кислород затвердевает и превращается в снегообразную массу.

Если на некоторое время в жидкий кислород поместить кусочек резины, она потеряет свою эластичность и под ударом разлетится на мелкие части.

Такую же хрупкость приобретает и цинковая пластинка, охлажденная в жидком кислороде до температуры -183°. Жидкая ртуть при такой температуре превращается в твердую массу, которую можно ковать, как свинец, а свинец приобретает способность звенеть, как бронзовый колокольчик.

Жидкий кислород имеет голубоватый цвет. Его можно легко переливать из сосуда в сосуд. При переливании жидкий кислород «парит». Но это не пары кислорода, а пары воды. Жидкий кислород, испаряясь, поглощает много тепла из окружающего воздуха. Воздух сильно охлаждается, и влага, находящаяся в воздухе, конденсируется, образуя туман. Этот туман и создает впечатление пара, исходящего из самой жидкости.

Температура кипения жидкого кислорода равна -183°.

Если фарфоровый стакан с жидким кислородом вынести зимой на мороз 30-40°, он будет кипеть более бурно, чем вода на самом сильном огне газовой плиты.

При комнатной температуре испарение жидкого кислорода идет еще энергичнее, и он быстро переходит в газообразное состояние.

Чтобы использовать жидкий кислород, его необходимо сохранить. Как же заставить эту бурно кипящую жидкость не так быстро испаряться?

Для этого служат специальные сосуды, в которых легко удается «укротить» эту быстро испаряющуюся жидкость.

Сосуд для хранения жидкого кислорода представляет собой цилиндр с двойными стенками. Внутренние стороны стенок обычно покрывают тонким слоем серебра. Воздух между стенками сосуда выкачивается.

Разреженные газы плохо проводят тепло, а зеркальная поверхность серебра хорошо отражает его. Таким образом, жидкий кислород, который находится в сосуде, изолирован от внешнего тепла, что обеспечивает сохранение жидкого кислорода в течение одних-двух суток.

При испарении жидкого кислорода объем его увеличивается почти в 800 раз. Из кубического сантиметра жидкого кислорода образуется около 800 кубических сантиметров газообразного.

Хранить жидкий кислород в закрытых сосудах опасно: внутри сосуда может образоваться большое давление, приводящее к взрыву. Поэтому сосуды для хранения жидкого кислорода сверху открыты. Воздух, находящийся над жидкостью, сильно охлаждается и предохраняет кислород от наружного тепла, замедляя дальнейшее испарение.

Для перевозки небольших количеств жидкого кислорода используют металлические емкостью 15-25 литров.

Металлические сосуды состоят из двух шаров или цилиндров, вставленных друг в друга. Внутренний шар или цилиндр имеет высокое и узкое горло, через которое сосуд заполняется жидким кислородом. Горло всегда остается открытым. Из пространства между стенками сосуда воздух выкачан, и создан высокий вакуум, то есть сильное разрежение.

Чтобы поддержать высокий вакуум, часть пространства между стенками заполняется силикагелем, способным при низкой температуре поглощать количество газа в сотни раз больше своего собственного объема. Если через стенки или через места спайки со временем просочится небольшая часть воздуха, он поглотится силикагелем и разрежение не уменьшится. Высокий вакуум обеспечивает постоянную изоляцию сосуда от внешнего тепла и дает возможность в течение двух и более суток сохранять в нем жидкий кислород. Такие сосуды обычно помещают в железные цилиндры.

Пространство между сосудом и наружным цилиндром заполняют теплоизоляционным материалом. Для переноски на наружном цилиндре имеются ручки.

Большие количества жидкого кислорода перевозятся по железной дороге и автотранспортом в специальных цистернах или танках. Они хорошо изолированы от внешнего тепла. Емкость транспортных танков различна: от 1 тысячи до 10 тысяч литров. Цистерны, в которых жидкий кислород перевозят по железной дороге, вмещают до нескольких десятков тонн.

Жидкий кислород можно получить из жидкого воздуха, который образуется при низких температурах и высоком давлении.

Высокое давление создают в машинах, которые называются компрессорами. Их приводят в движение электродвигатели.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .