Области применения кислорода на каких свойствах кислорода они основаны
Кислород – химический элемент VI группы периодической системы Менделеева и самый распространенный элемент в земной коре (47% от ее массы). Кислород является жизненно важным элементом почти всех живых организмов. Более подробно о функциях и применении кислорода в этой статье.
Общие сведения
Кислород представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, который плохо растворяется в воде. Он входит в состав воды, минералов, горных пород. Свободный кислород образуется благодаря процессам фотосинтеза. Кислород играет наиважнейшую роль в жизни человека. Прежде всего кислород необходим для дыхания живых организмов. Также он принимает участие в процессах разложения погибших животных и растений.
Воздух содержит около 20,95% по объему кислорода. В гидросфере содержится почти 86% по массе кислорода.
Кислород был получен одновременно двумя учеными, но сделали они это независимо друг от друга. Швед К. Шееле получил кислород при прокаливании селитры и других веществ, а англичанин Дж. Пристли – при нагревании оксида ртути.
Рис. 1. Получение кислорода из оксида ртути
Применение кислорода в промышленности
Области применения кислорода обширны.
В металлургии он необходим для производства стали, которую получают из металлолома и чугуна. Во многих металлургических агрегатах для лучшего сжигания топлива используют воздух, обогащенный кислородом.
В авиации кислород используется как окислитель топлива в ракетных двигателях. Также он необходим для полетов в космос и в условиях, где нет атмосферы.
В области машиностроения кислород очень важен для резки и сварки металлов. Чтобы расплавить металл нужна специальная горелка, состоящая из металлических труб. Эти две трубы вставляются друг в друга. Свободное пространство между ними заполняют ацетиленом и зажигают. Кислород же в это время пускают по внутренней трубке. И кислород и ацетилен подаются из баллона под давлением. Образуется пламя, температура в котором достигает 2000 градусов. При такой температуре плавится практически любой металл.
Рис. 2. Ацетиленовая горелка
Применение кислорода в целлюлозно-бумажной промышленности очень важно. Он используется для отбеливания бумаги, при спиртовании, при вымывании лишних компонентов из целлюлозы (делигнификация).
В химической промышленности кислород используется в качестве реагента.
Для создания взрывчатых веществ необходим жидкий кислород. Жидкий кислород производится путем сжижения воздуха и последующего отделения кислорода от азота.
Применение кислорода в природе и жизни человека
Кислород играет наиважнейшую роль в жизни человека и животных. Свободный кислород существует на нашей планете благодаря фотосинтезу. Фотосинтез – это процесс образования органического вещества на свету с помощью углекислого газа и воды. В результате этого процесса образуется кислород, который необходим для жизнедеятельности животных и человека. Животные и человек потребляют кислород постоянно, растения же расходуют кислород только ночью, а днем производят его.
Применение кислорода в медицине
Кислород находит применение и в медицине. Особенно актуально его использование при затрудненном дыхании во время некоторых заболеваний. Он применяется для обогащения дыхательных путей при туберкулезе легких, а также используется в наркозной аппаратуре. Кислород в медицине используется для лечения бронхиальной астмы, болезней желудочно-кишечного тракта. Для этих целей используют кислородные коктейли.
Также большое значение имеют кислородные подушки – прорезиненная емкость, заполненная кислородом. Она служит для индивидуального применения медицинского кислорода.
Рис. 3. Кислородная подушка
Что мы узнали?
В данном сообщении, которое охватывает тему «Кислород» по химии 9 класса кратко даны общие сведения о свойствах и применении этого газа. Кислород крайне важен для машиностроения, медицины, металлургической области и т.д.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
-
Лидия Маслова
10/10
Тимофей Кот
10/10
Эльшан Асланов
9/10
Александр Джураев
9/10
Любовь Жовтенко
9/10
Андрей Бордюгов
9/10
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 396.
Источник
Кислород
Кислород — самый распространенный элемент земной коры, входит в состав более 1500 соединений земной коры. Общее количество кислорода в земной коре близко к половине ее массы (около 47%).
В свободном состоянии кислород находится в атмосферном воздухе, содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объёму). В связанном виде входит в состав воды, морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных.
Кислород играет исключительно важную роль в природе. При участии кислорода совершается один из важнейших жизненных процессов — дыхание. Важное значение имеет и другой процесс, в котором участвует кислород, — тление и гниение погибших животных и растений; при этом сложные органические вещества превращаются в более простые (в конечном результате в CO2, воду и азот), а последние вновь вступают в общий круговорот веществ в природе. Кислород является необходимым для обеспечения жизни и легко соединяется с другими элементами.
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Основным лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей. Небольшие количества кислорода можно получать взаимодействием раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода.
Свойства кислорода
Кислород (O2) – бесцветный газ без вкуса и запаха. Он немного тяжелее воздуха: масса 1 л кислорода при нормальных условиях равна 1,43 г, а 1 л воздуха 1,293 г. Растворим в воде, хотя и в небольших количествах: 100 объемов воды при 0°C растворяют 4,9, а при 20°C — 3,1 объема кислорода. Температура кипения – минус 183,0°C, температура плавления – минус 218,8°C. Плотность Р при 200°C составляет 1061,45 мг/м3. Кислород образует двухатомные молекулы, характеризующиеся высокой прочностью: стандартная энтальпия атомизации кислорода равна 498 кДж/моль. При комнатной температуре его диссоциация на атомы ничтожна; лишь при 1500°C она становится заметной.
Жидкий кислород не имеет запаха, по цвету голубой и кипит при -183°С. Один литр жидкого кислорода дает около 840 литров газообразного кислорода.
Области применения кислорода
Широкое промышленное применение кислорода началось в середине ХХ века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения.
Применение кислорода весьма разнообразно и основано на его химических свойствах. В больших количествах кислород используют для ускорения химических реакций в разных отраслях химической промышленности и в металлургии. Например, при выплавке чугуна для повышения производительности доменных печей в них подают воздух, обогащенный кислородом. Его применяют для интенсификации химических процессов во многих производствах (например, в производстве серной и азотной кислот, в доменном процессе). Кислородом пользуются для получения высоких температур, для чего различные горючие газы (водород,ацетилен) сжигают в специальных горелках. Кислород используют в медицине при затрудненном дыхании.
При сжигании ацетилена или водорода с кислородом в специальных горелках температура пламени достигает 3000°C. Кислород — важнейший продукт основного химического производства. Применяется как реагент в химической технологии (обжиг сульфидных руд, синтез оксидов), металлургии (производство чугуна и стали), газификации природного угля, сварке и резке металлов. Жидкий кислород — окислитель топлива в ракетной технике. Технический жидкий кислород применяется после его газификации газопламенной обработки металлов и других технических целей.
Химическая и нефтехимическая промышленность
Кислород используется для окисления исходных реагентов, образуя азотную кислоту, этиленоксид, пропиленоксид, винилхлорид и другие основные соединения. Помимо этого он может использоваться для увеличения производительности мусоросжигательных печей.
Нефтегазовая промышленность
В нефте- и газодобыче кислород находит применения для увеличения вязкости и улучшения нефтегазового потока из колодцев. Кислород используется для увеличения производительности заводов по крекингу нефти, для более эффективной переработки высокооктановых компонент, для уменьшения серных отложений на НПЗ.
Металлургия
Кислород используется для увеличения температуры горения при производстве черных и цветных металлов, дутье в доменных печах, извлечении золота из руд, производстве ферросплавов, выплавке никеля, цинка, свинца, циркония и других цветных металлов, для создания высокотемпературного пламени в сварочных горелках при резке и пайке металла, для напыления и наплавки металлов кислородном. Конвертерный способ производства стали связан с применением кислорода.
Сварка и резка металлов
Кислород в баллонах широко используется для газопламенной резки и сварки металлов, для плазменного
высокоточного раскроя металлов;
Ракетное топливо
В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и
другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей
ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород — фтор и
водород — фторид кислорода).
Стекольная промышленность
В стекловаренных печах кислород используется для улучшения горения. Кроме этого он применяется для
уменьшения выбросов оксидов азота до безопасных уровней.
Целлюлозно-бумажная промышленность
Кислород используется при делигнификации, спиртовании и других процессах.
Медицина
Кислород используется для обогащения дыхательных смесей при нарушении дыхания, для лечения астмы,
в виде кислородных коктейлей и в других случаях.
Хранение и перевозка кислорода
Технический газообразный кислород хранят и перевозят в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) голубого цвета.
Перевозка баллонов осуществляется всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки опасных грузов,
действующими на данном виде транспорта. Технический жидкий кислород перевозят в специализированных транспортных
цистернах с нанесённой на них синей полосой и надписью «кислород». Криогенные сосуды, наполненные жидким кислородом,
перевозят только автомобильным транспортом.
Опасные факторы и меры безопасности
Кислород не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Не токсичен, не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, увеличивает способность материалов к горению. Многие несгораемые при нормальном воздухе материалы могут гореть в чистом кислороде или в воздухе, богатом кислородом. При взаимодействии со смазочными веществами – взрывается. Во избежание взрывов необходимо защищать кислородные баллоны от нагрева. Запрещено курить и пользоваться открытым огнем вблизи работы с кислородом.
Когда жидкий кислород испаряется, испарившийся газ имеет очень низкую температуру и плотность тяжелее воздуха. Поэтому он может накапливаться, например, в канализации и вызвать повышенную концентрацию кислорода в воздухе. Жидкий кислород и холодные пары кислорода могут вызвать обморожение кожи с травмами, подобными ожогам. Попадание открытых участков кожи в контакт с неизолированными узлами может вызвать прилипание кожи и повреждение при попытке отрыва. В таком случае поврежденные участки нужно обильно поливать теплой водой и ни в коем случае не протирать кожу. Обращаться к медперсоналу. Длительная ингаляция газообразного кислорода вызывает поражение органов дыхания и легких.
Там, где обращаются с жидким кислородом, необходимо исключить попадание кислорода в соприкосновение с неподходящими материалами, например, сталью, которая становится хрупкой при низкой температуре, и автомобильной резиной. Определенные марки стали, в т.ч. углеродистая сталь и некоторые другие материалы непригодны для использования при низких температурах, так как они теряют свою ударостойкость и становятся очень хрупкими. Обычно при низких температурах можно использовать нержавеющую сталь, алюминий и медь, а также их сплавы.
При работе с жидким кислородом необходимо употреблять надлежащие перчатки, защитные очки, защитную обувь и защитные средства для тела. Инструмент и одежда должны быть свободными от масла и жира. Ни один узел, применяемый с кислородом, не должен соприкасаться с маслом или жиром. Посторонние лица не должны заходить в зоны с повышенной концентрацией кислорода в воздухе. После работы в помещении с повышенной концентрацией кислорода в воздухе необходимо хорошо проветрить одежду.
Источник
Кислород действительно нужен «на земле и под землею» и вообще «всюду, где народ», например в космических кораблях. Первооткрыватель кислорода Дж. Пристли предугадал одно из важных применений элементного кислорода — в медицине. «Он может быть очень полезен при некоторых тяжелых болезнях легких, когда обычный воздух не может достаточно быстро удалять флогистонированные испорченные испарения».
Кислород применяется в лечебной практике не только при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание. Подкожное введение кислорода оказалось эффективным средством лечения таких тяжелых заболеваний, как, например, гангрена, слоновость, трофические язвы.
Не менее важен элемент № 8 и для промышленности. Обогащение воздуха кислородом делает эффективнее, быстрее, экономичнее многие технологические процессы, в основе которых — окисление. А таких процессов — много. На них пока держится почти вся тепловая энергетика. Превращенпе чугуна в сталь тоже невозможно без кислорода. Именно кислород «изымает» из чугуна избыток углерода.
Замена воздушного дутья «кислородным» (в мартеновскую печь или конвертор обычно подается не чистый кислород, а воздух, обогащенный кислородом) намного увеличивает производительность сталеплавильных агрегатов. Одновременно улучшается и качество стали.
При замене обычного воздуха смесью 35% кислорода и 65% азота расход кокса в процессе выплавки ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, феррофосфора) снижается почти в два раза, а производительность печи возрастает более чем вдвое.
Сейчас в нашей стране черная металлургия поглощает более 60% получаемого кислорода. Нужен кислород и в цветной металлургии. Так, при выплавке свинца на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате дутье, обогащенное кислородом до 30—31%, в свое время помогло снизить расход топлива более чем на треть, а флюсов — вдвое, что дало многомиллионную экономию.
При сжигании водорода в токе кислорода образуется весьма обыкновенное вещество — Н20. Конечно, ради получения этого вещества не следовало бы заниматься сжиганием водорода (который, кстати, часто именно из воды получают). Цель этого процесса иная, она будет ясна, если ту же реакцию записать полностью, учитывая не только химические продукты, но и энергию, выделяющуюся в ходе реакции:
Н2+0,5О2=Н2О+68 317 кал.
Почти семьдесят больших калорий на грамм-молекулу! Так можно получить не только «море воды», но и «море энергии». Для этого и получают воду в реактивных двигателях, работающих на водороде и кислороде.
Та же реакция используется для сварки и резки металлов. Правда, в этой области водород можно заменить ацетиленом. Кстати, ацетилен все в больших масштабах получат именно с помощью кислорода, в процессах термоокислительного крекинга:
6СН4+402→НС=СН+8Н2+ +ЗСО+С02+ЗН20
Это только один пример использования кислорода в химической промышленности. Элемент № 8 нужен для производства многих веществ (достаточно вспомнить об азотной кислоте), для газификации углей и мазута… На нужды этой отрасли расходуется немало кислорода.
Любое пористое горючее вещество, например опилки, будучи пропитанными голубоватой холодной жидкостью — жидким кислородом, становится взрывчатым веществом. Такие вещества называются оксиликвитами и в случае необходимости могут заменить динамит при разработке рудных месторождений.
Ежегодное мировое производство (и потребление) кислорода измеряется миллионами тонн. Не считая кислорода, которым мы дышим. Попытки создать более или менее мощную кислородную промышленность предпринимались еще в прошлом веке во многих странах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция огромного размера»…
Особенно быстрое развитие кислородной промышленности началось в годы Великой Отечественной войны, после изобретения академиком П. Л. Капицей турбодетандера и создания мощных воздухразделительных установок.
Еще Карл Шееле получал кислород по меньшей мере пятью способами: из окиси ртути, сурика, селитры, азотной кислоты и пиролюзита. На подводных лодках и сейчас получают кислород, разлагая богатые этим элементом хлораты и перхлораты. В любой школьной лаборатории демонстрируют опыт — разложение воды на кислород и водород электролизом. Но ни один из этих способов не может удовлетворить потребности промышленности в кислороде.
Энергетически проще всего получить элемент № 8 из воздуху поскольку воздух — не соединение, и разделить воздух не так уж трудно. Температуры кипения азота и кислорода отличаются (при атмосферном давлении) на 12,8° С. Следовательно, жидкий воздух можно разделить на компоненты в ректификационных колоннах так же, как делят, например, нефть.
Но чтобы превратить воздух в жидкость, его нужно охладить до минус 196° С. Можно сказать, что проблема получения кислорода — это проблема получения холода.
Чтобы получать холод с помощью обыкновенного воздуха, последний нужно сжать, а затем дать ему расшириться при этом заставить его производить механическую работу. Тогда в соответствии с законами физики воздух обязан охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называют детандерами.
До 1938 г. для получения жидкого воздуха пользовались только поршневыми детандерами. По существу, такой детандер — это аналог паровой машины, только работает в нем не пар, а сжатый воздух.
Чтобы получить жидкий воздух с помощью таких детандеров, нужны были давления порядка 200 атм, причем по неизбежным техническим причинам на разных стадиях процесса давление было не одинаковым: от 45 до 200 атм. К.п.д. установки был немногим выше,чему паровой машины. Установка получилась сложной, громоздкой, дорогой.
В конце 30-х годов советский физик академик П. Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Идея — не новая, ее еще в конце прошлого века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д. «докапицынских» турбин для ожижения воздуха был невысок. Поэтому небольшие турбодетандеры лишь выполняли кое-какую подсобную работу при поршневых детандерах.
Капица создал новую конструкцию, которая, по словам изобретателя, была «как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной». Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежных сил.
Такая конструкция турбины позволила поднять к.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, кроме того, турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм получить намного проще и дешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, что энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока.
Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у вас, но и во всем мире.
Первый опытный образец турбодетандера был невелик. Его ротор восьми сантиметров в диаметре весил всего 250 г. Но, как писал П. Л. Капица в 1939 г., «экспериментальная эксплуатация этого турбодетандера показала, что он является надежный и очень простым механизмом. Технический к.п.д. получается 0,79—0,83», И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.
В 1942 г. построили подобную, но уже намного более мощную установку, которая производила до 200 кг жидкого кислорода в час. В конце 1944 г. вводится в строй самая мощная в мире турбокислородная установка, производящая в 6—7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3—4 раза меньшую площадь.
В наши дни быстро растет потребность в кислороде многих отраслей промышленности, в первую очередь металлургии. Соответственно растут мощности воздухоразделительных установок. А источник кислорода один — атмосфера.
Статья на тему Кислород применение
Источник