Кислород. Его свойства и применение

VII. Применение кислорода.

Применение любых  веществ связано с их физическими  и химическими свойствами, а также  распространением их в природе.

Количество металла, производимого на душу населения, является одной из мер уровня развития промышленности в каждой стране. Выплавка же черных и цветных металлов невозможна без  кислорода.

Сейчас в нашей  стране только черная металлургия поглощает  свыше 60% получаемого кислорода. Но кислород используется еще и в  цветной металлургии.

Кислород интенсифицирует  не только пирометаллургические процессы, но и гидрометаллургические, где  основной процесс извлечения металлов из руд или их концентратов основан  на воздействии специальных реагентов  на водные растворы. Так, в настоящее  время основным способом извлечения золота из руд является цианирование. Оно позволяет извлекать из золотоносных руд до 95% золота и поэтому применяется  даже при переработке руд с  низким содержанием золота. Процесс  растворения золота, содержащегося  в рудах, очень трудоемкая операция. Оказалось, что растворение этого  металла можно значительно ускорить, если вместо воздуха использовать чистый кислород. Золото в цианистых растворах  образует комплексное соединение Na[Au(CN)2], которое далее обрабатывают цинком, и в результате выделяется золото:

4Аu + 8NaCN + 2H2O + O2 = 4Na [Au(CN)2] + 4NaOH

2Na [Аu(CN)2] + Zn = Na2 [Zn (CN)4] + 2Аu

Данный метод извлечения золота из руд был разработан русским  инженером П. Р. Багратионом, родственником  героя Отечественной войны 1812г.

Кислород находит  широкое применение в химической промышленности. На нужды этой отрасли  в нашей стране расходуется около 30% производимого кислорода. Замена воздуха на кислород в процессе производства серной кислоты контактным способом повышает производительность установки  в пять-шесть раз. Но не только в  этом заключается выгода от применения кислорода вместо воздуха. Чистый кислород позволяет получить 100-процентный оксид  серы без проведения дополнительных трудоемких операций, которые необходимы при использовании воздуха в качестве окислителя.

При получении азотной  кислоты способом каталитического  окисления аммиака в качестве окислителя также используется кислород. Если содержание его в воздухе  повысить до 25%, то производительность установки возрастает в два раза.

При участии кислорода  в процессе термоокислительного  крекинга в больших масштабах  получают ацетилен, который широко используется для резки и сварки металлов и для синтезов органических веществ:

6СН4 + 4О2 = С2Н2 + 8Н2 + 3СО + СО2 + 3Н2О

Кислород применяется  для получения высоких температур. Если сжигать водород в токе кислорода, то при образовании 1 моль воды выделяется 286,3 кдж, а 2 моль — 572,6 кдж. Это же колоссальная энергия! Высокие температуры, достигаемые  в пламени таких горелок (до 3000°С), используются для резки и сварки металлов.

Кислород служит и в космосе. Так, в двигателе  второй ступени американской космической  ракеты «Центавр» окислителем служил жидкий кислород. Кислород широко применяется  и в ракетах для различных  высотных исследований.

Жидкий кислород входит в состав взрывчатых веществ. Длительное время для различных  взрывных работ применяли аммониты и другие азотсодержащие взрывчатые вещества. Их использование представляло определенные трудности, например сложность  и опасность транспортировки, необходимость  строительства складов. В настоящее  время взрывчатые вещества с жидким кислородом можно изготовить на месте  употребления. Любое пористое горючее  вещество (опилки, торф, сено, солома), будучи пропитанным жидким кислородом, становится взрывчатым. Такие вещества называются оксиликвитами и при необходимости  могут заменить динамит при разработке рудных месторождений. При взрыве применяют  оксиликвитный патрон — простой  длинный мешочек, наполненный горючим  материалом, в который вставляют  электронный запал. Его заряжают непосредственно перед закладкой  в шпур путем погружения в жидкий кислород. Шпур — это круглое  отверстие, которое бурят обычно в горных породах и наполняют  взрывчатым веществом. Если взрыва оксиликвитного патрона в шпуре почему-либо не произойдет, патрон разряжается сам  в результате испарения из него жидкого  кислорода. Действие оксиликвитов основано на чрезвычайно быстром сгорании органических веществ в чистом кислороде. Кратковременный процесс сгорания сопровождается интенсивным выделением больших количеств тепла и  газов, что обуславливает применение оксиликвитов в качестве мощных взрывчатых веществ, обладающих бризантным (дробящим) действием.

Кислород применяется  в медицине, в авиации. В лечебной практике при легочных и сердечных  заболеваниях, когда затруднено дыхание, больным дают кислород из кислородных  подушек, помещают их в специальные  палаты, в которых поддерживается необходимая концентрация кислорода. Один вдох кислорода человеком равносилен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при вдыхании этот газ не только поступает в организм больного в  достаточном количестве, но и сберегает  силы для самого процесса дыхания. Кроме  этого, подкожное введение кислорода  оказалось эффективным при лечении  некоторых заболеваний, например гангрены, тромбофлебита, слоновости и тропических  язв.

Явление «кислородного  голодания» в организме может  наступить и от недостатка кислорода  в окружающей среде. Например, на высоте 10000 м барометрическое давление воздуха  снижается до 217 мм рт. ст. и абсолютное содержание кислорода в воздухе  уменьшается в четыре раза. Этого  количества газа слишком мало для  нормального процесса дыхания. Поэтому  на больших высотах летчики пользуются баллонами с кислородом.

VIII. Озоновый слой  над Землей.

Озон — «родной  брат» кислорода. Его молекула образована тремя атомами этого химического  элемента: О3. Там, где бывает электрическая  искра, появляется своеобразный запах  свежести, потому что электрический  разряд — это условие для превращения  кислорода воздуха в озон:

        ЗО2  =  2О3

кислород     озон

Запах озона мы ощущаем  в воздухе после грозы. Озон есть в хвойных лесах, особенно в сосновых. При разложении древесной смолы  образуется немного озона.

Озон нижнего слоя воздуха рассеян, содержание его  небольшое. Этот газ недолговечен, потому что вновь превращается в кислород:

  2О3  =   ЗО2

озон       кислород

Даже в небольших  количествах озон выполняет роль окислителя многих веществ. Озоном обеззараживают водопроводную воду, очищают воздух от болезнетворных бактерий. Из-за своей  активности озон может стать опасным  для здоровья человека и животных, если будет превышен предел его допустимого  содержания в воздухе. Однако этого  в природе не происходит.

Высоко над Землей, в стратосфере на высоте до 30 км (над  уровнем моря) постоянно находится  тонкий слой озона, защищающий жизнь  на нашей планете от губительного действия коротковолнового ультрафиолетового  излучения Солнца. Озон поглощает  солнечное ультрафиолетовое излучение, и на Землю проникает лишь часть  его, не причиняющая особого вреда  ее обитателям. Задерживаются вредные  для всего живого короткие волны, пропускаются на Землю длинные ультрафиолетовые волны, которые безвредны.

В стратосфере озона  больше, чем в приземном воздухе, однако, это не значит, что слой образован  только озоном. Лишь 1 молекула озона  в озоновом слое приходится на 100000 молекул  других газов. Но этого озона достаточно для защиты жизни на планете от действия ультрафиолетового излучения.

Чем   же   опасны   ультрафиолетовые   лучи?   Они   изменяют структуру  молекул белков — носителей жизни. От них страдают, прежде всего, простейшие микроорганизмы и водоросли. Их гибель в водах Мирового океана может  привести к тому, что прервутся  цепи питания, и тогда пострадают многие крупные обитатели морских  вод. Сухопутные организмы по-разному  воспринимают эти лучи. Одни животные и растения их выдерживают, другие заболевают и гибнут. Воздействие сильного ультрафиолетового  излучения может нарушить соотношение  численности хищных и травоядных животных, паразитов и их хозяев. Понятно, что последствия таких  изменений пагубно скажутся на экологии Земли.

Длинноволновые ультрафиолетовые лучи воздействуют на кожу человека, появляется загар. Но на коротковолновое излучение  клетки кожи могут болезненно отреагировать, появятся разного рода опухоли. Утрафиолетовое излучение вредно и для зрения.

Вот почему так важно, что над Землей есть защитный озоновый слой!

В стратосфере озон существует довольно долго, ему там  не приходится часто встречаться  с веществами-восстановителями, но если они туда проникают, то озон реагирует  с ними и его количество уменьшается. Такое явление снижения концентрации озона в каких-то участках стратосферы  называют образованием «озоновых дыр». В последнее время зафиксировали  снижение концентрации озона в стратосфере  почти на 40% над Антарктидой. Этот плоский континент окружен океаном, над Южным полюсом образуется как бы воронка из ветров, циркулирующих  вокруг материка и приносящих вещества, с которыми реагирует озон. Какие  это вещества?

Это искусственно полученные и очень ценные в практическом отношении вещества — хлорфторуглеводороды разного состава, например такие:

Эти вещества получают при реакциях замещения галогенами атомов водорода в углеводородах. Хлорфторуглеводороды — стойкие вещества, не растворяются в воде, неядовиты, не горят, не вызывают коррозии, отличные изоляторы. Из них  делают утеплители для стен зданий, одноразовую посуду для горячих  напитков. Жидкие вещества из этой группы (фреоны) — хорошие растворители, эффективные хладоагенты в холодильниках  и кондиционерах. Их применяют в  аэрозольных баллончиках как  безвредные растворители специальных  веществ, в системах автоматического  пожаротушения (CBrF3).

Производство этих веществ развивалось ускоренными  темпами до тех пор, пока не обнаружили, что они, попадая в стратосферу, разрушают озон (Сейчас стараются  заменить фреоны на менее летучие  вещества. Например, в качестве хладоагентов используют фторхлорметан, а для  аэрозольных баллонов применяют  сжиженные газообразные предельные углеводороды).

До стратосферы  эти вещества доходят без изменений. Ведь они химически устойчивы. А  в стратосфере, где много ультрафиолетового  излучения, их молекулы разрушаются, при  этом отщепляются активные атомы  галогена, в частности хлора:

Одноатомный хлор-радикал  реагирует с озоном:          

03      +      Сl      =      О2      +      СlO

     озон    хлор             кислород      оксид

           (радикал)                          хлора (II)

Под действием ультрафиолетовых лучей из озона образуется кислород, который в момент выделения также  бывает в активном одноатомном состоянии:

   03     =     02       +       О

озон     кислород      атомарный

                                                кислород

Оксид хлора (II) реагирует  с атомарным кислородом, и тогда  вновь образуется хлор-радикал, который  опять разрушает озон; происходит, цепная реакция, повторяющаяся многократно:

СlO       +       О        =        Сl       +       О2      

оксид       атомарный       хлор          кислород

хлора (II)  кислород     (радикал)       

О3 + С1= О2 + СlO

Один атом хлора  участвует в серии таких реакций  и может разрушить до 100000 молекул  озона. Хлор может «выйти из игры»  тогда, когда ему встретится молекула метана. Тогда он, присоединив к  себе один атом водорода из метана, образует хлороводород, который при растворении  в воде образует соляную кислоту. Так хлор-разрушитель возвращается на Землю в виде кислотного дождя:

СН4     +     2С1     —     СН3С1      +         НС1

метан        хлор             хлор             хлороводород

           (радикал)             метан     (в растворе —  соляная кислота)

Даже если производство хлорфторуглеводородов будет повсеместно  сокращено, процесс разрушения озонового  слоя над всей планетой будет продолжаться. Обедненный озоном воздух постепенно рассеивается, газы в атмосфере перемешиваются, содержащиеся в воздухе хлорфторуглеводороды будут еще очень долго, не менее  чем 100 лет, продолжать свою работу, разрушающую  озон.

В 1990 г. представители  правительства 92 стран в Лондоне  подписали соглашение о полном прекращении  производства хлорфторуглеводородов  к 2000 г. Соблюдение этого соглашения будет условием постепенного восстановления природного содержания озона в цтратосфере, потому что концентрация уже попавшего  в атмосферу хлора должна со временем уменьшаться, однако это время —  столетие.

IX. Заключение.

Итак, мы получили различные  сведения из области химии элементов VI группы и в большей степени  о кислороде, узнали о том, где  и как применяют и получают кислород, также узнали о воздействии  кислорода на нашу жизнь, народное хозяйство  и культуру.