Жидкий кислород
Жи́дкий кислоро́д (ЖК, жO2, LOX[1]) — жидкость бледно-синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам. Является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода. Жидкий кислород обладает плотностью 1,141 г/см³ (при температуре кипения) 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 применяется в космической и газовой отраслях, при эксплуатации подводных лодок, широко используется в медицине. Обычно промышленное получение основывается на фракционной перегонке воздуха. Коэффициент расширения 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 — кислород хранится в жидком состоянии в малом объёме, а при необходимости использования испаряется с образованием большого объема газообразного кислорода.
Получение
Основным и практически неисчерпаемым источником получения жидкого кислорода является атмосферный воздух: производится сжижение воздуха и последующее разделение его на кислород и азот.
Физические особенности
Из-за своей очень низкой температуры жидкий кислород может вызвать хрупкость материалов, которые соприкасаются с ним.
Плотность жидкого кислорода существенно увеличивается при снижении температуры — с 1140 кг/м3 при 90 К до 1330 при 50 К. Это свойство иногда используется в ракетно-космической технике для увеличения заправки баков ракет — без изменения размеров баков в них можно залить на 10—15% больше переохлажденного жидкого кислорода, чем кипящего. Впервые это было применено на советских баллистических ракетах Р-9.
Парамагнетические свойства
Для объяснения отклонения парамагнетических свойств жидкого кислорода от закона Кюри американским физикохимиком Г. Льюисом в 1924 году была предложена молекула тетракислорода (O4).[2] На сегодняшний день теория Льюиса считается лишь частично верной: компьютерное моделирование показывает, что хотя в жидком кислороде не образуется устойчивых молекул O4[3], молекулы O2 на самом деле имеют тенденцию объединяться в пары с противоположными спинами, которые образуют временные объединения O2—O2[3].
Химические свойства
Жидкий кислород также является очень мощным окислителем: органическое вещество быстро сгорает в его среде с выделением большого количества теплоты. Более того, некоторые из этих веществ, будучи пропитанными жидким кислородом, имеют свойство непредсказуемо взрываться. Часто так ведут себя нефтепродукты, включая асфальт.
Применение
Компонент ракетного топлива
Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетного топлива, обычно в сочетании с ним используют керосин. Использование кислорода обусловлено высоким удельным импульсом, который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях. Кислород — самый дешёвый из применяемых компонентов ракетных топлив. Первое применение 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 в более поздних образцах этих ракет его не применяют из-за очень низкой температуры и необходимости регулярной дозаправки для компенсации выкипания окислителя, что затрудняет быстрый запуск. Многие современные ЖРД используют ЖК в качестве окислителя, например РД-180, RS-25.
Изготовление взрывчатки
Жидкий кислород также активно использовался при изготовлении взрывчатки «Оксиликвит», которая представляет собой пористые органические материалы, пропитанные жидким кислородом. Однако, сейчас она крайне редко используется из-за нестабильности свойств и большого количества происшествий и несчастных случаев.
Хранение и транспортировка
В качестве уплотнительных прокладочных материалов в системах с жидким кислородом применяются материалы, не теряющие эластичности при низких температурах: паронит, фторопласты, отожжённые медь и алюминий.
Хранение и перевозка больших количеств жидкого кислорода осуществляется в ёмкостях объёмом от нескольких десятков до 1500 м³ из нержавеющей стали, снабженных теплоизоляцией, а также в сосудах Дьюара. 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 кислорода до уровня 0,1—0,5 % (в зависимости от размеров ёмкости) и скорость повышения температуры переохлажденного — до 0,4—0,5 К в сутки.
Перевозка кипящего кислорода производится с открытым вентилем газосброса, а переохлаждённого — при закрытом вентиле, с контролем давления не реже 2 раз в сутки; при повышении давления больше, чем на 0,02 МПа (изб.) вентиль открывается.
Хранение с жидким азотом
Жидкий азот имеет более низкую точку кипения 77 K (−196 °C) и устройства, которые содержат жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха: когда большая часть азота испаряется из такого устройства возникает риск того, что остаток жидкого кислорода может сильно прореагировать с органическими материалами. С другой стороны, жидкий азот или жидкий воздух может оказаться насыщенным жидким кислородом, если оставить ёмкость на открытом воздухе — атмосферный кислород будет в ней растворяться, в то время как азот будет испаряться быстрее.
Меры безопасности при работе с жидким кислородом
- Кислород — не ядовит, но при работе с ним должны применяться защитные средства, предохраняющие от возможного обморожения: летом — хлопчатобумажный комбинезон, рукавицы, кожаные сапоги, очки; зимой — валенки, подшитые кожей, тёплые рукавицы, очки.
- Кислород — весьма пожароопасен и даже взрывоопасен при соприкосновении с органическими веществами при наличии даже небольшого теплового импульса. Едва тлеющий на воздухе тепловой очаг разгорается ярким пламенем в атмосфере кислорода. Известны трагические последствия курения на месте недавнего пролива жидкого кислорода на почву. Для воспламенения таких материалов, как паронит, резина, хлопчатобумажная ткань, полиэтилен и др. в атмосфере кислорода достаточно нагрева их всего до 200—300°С. Даже резкое сжатие органического материала, пропитанного кислородом (например, при падении тяжелого предмета на асфальт, облитый жидким кислородом), может вызвать возгорание и взрыв. При соприкосновении с маслами кислород может образовывать с некоторыми их компонентами активные эндотермичные перекисные соединения, накопление которых может приводить к взрыву, поэтому контакт кислорода с такими веществами в любых вариантах, работа в промасленной одежде, замасленными руками или приспособлениями недопустима. По окончании работ в контакте с жидким или газообразным кислородом запрещается ранее, чем через 20—30 минут подходить к открытому огню, закуривать и тому подобное, так как кислород длительное время удерживается в складках одежды, волосах, что при наличии огня создает пожарную опасность.
- Сварочные и ремонтные работы в ёмкостях и помещениях, где хранится жидкий кислород, должны производиться только после двух-трёхчасового проветривания их тёплым воздухом (70—80°С). Новая кислородная ёмкость обязательно обезжиривается перед первой заливкой.
- При перекачке жидкого кислорода производится предварительное «захолаживание» системы малым расходом продукта. Без этого в «горячей» системе образуется сильный поток регазифицированного кислорода, который при наличии резких поворотов и перепадов давления на элементах системы (вентили и тому подобное) может вызвать возгорание металла.
История
- В 1845 году Майкл Фарадей смог осуществить сжижение большинства известных тогда газов. Шесть газов, однако, несмотря на все его попытки сжижению не поддавались, а именно кислород, водород, азот, окись углерода, метан и окись азота (из перечисленных имеет наибольшую температуру кипения −151,7 °C).
- В 1877 году Луи-Поль Кайете (1832—1913) во Франции и Рауль Пикте (1846—1929) в Швейцарии независимо друг от друга разными способами получили несколько капель жидкого кислорода.
- Впервые в измеримых количествах жидкий кислород был получен польскими профессорами Краковского университета Сигизмундом Врублевским и Каролем Ольшевским в 1883 году.
Примечания
- ↑ от англ. Liquid oxygen
- ↑ Gilbert N. Lewis. The magnetism of oxygen and the molecule O4 // Journal of the American Chemical Society. — сентябрь 1924. — Т. 46, № 9. — С. 2027—2032. — doi:10.1021/ja01674a008.
- ↑ 3,0 3,1 Tatsuki Oda, Alfredo Pasquarello. Noncollinear magnetism in liquid oxygen: A first-principles molecular dynamics study // Physical Review B. — октябрь 2004. — Т. 70, № 134402. — С. 1—19. — doi:10.1103/PhysRevB.70.134402.