Кислород

Антуан Лавуазье с женой.

 
Промышленное получение кислорода. 

 В настоящее  время кислород очень широко  используется во многих областях  человеческой деятельности. 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. Смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами, называемые оксиликвитами, обладают очень сильными взрывчатыми свойствами и применяются при подрывных работах. 
  Кислород давно и широко используют в медицине, и он стал привычным атрибутом медицины критических состояний. При этом далеко не каждый анестезиолог-реаниматолог знает, каким же способом получают столь необходимый для его повседневной деятельности газ.  
  В XIX веке возможности получения кислорода были ограничены, и его получали только лабораторными способами. В лаборатории кислород удобнее всего получать из его соединений с другими элементами. Чаще всего кислород получают нагреванием таких веществ (в состав которых кислород входит в связанном виде), как перманганат калия (марганцовка), хлорат калия (бертолетова соль), нитрат калия (селитра):

  Удобно получать кислород в лаборатории и из пероксида водорода:

  Пероксид  водорода обычно используется  в виде 3%-го водного раствора. Многие из Вас знакомы с  ним, потому что такой раствор  применяется как дезинфицирующее средство при обработке царапин и мелких ран. Он мало устойчив, и уже при стоянии медленно разлагается на кислород и воду. Попав на царапину или ранку, пероксид начинает выделять кислород гораздо интенсивнее (сильно пузырится, шипит). Дело здесь в том, что кровь содержит особые вещества (катализаторы), которые ускоряют реакцию разложения пероксида водорода. Катализаторами разложения Н₂О₂ могут служить многие вещества, в том числе и неорганические: диоксид марганца (MnO₂), древесный уголь (углерод), железный порошок. Существуют и «антикатализаторы» - то есть вещества, замедляющие химическое превращение. Такие замедлители химических реакций называются ингибиторами. Например, фосфорная кислота Н₃РО₄ по каким-то причинам препятствует разложению пероксида водорода. 
  Интересен способ получения кислорода из пероксидов металлов, который раньше применяли на подводных лодках, потому что одновременно с выделением кислорода происходит поглощение углекислого газа:

  На современных  атомных подводных лодках, где  имеется мощный и почти неисчерпаемый  источник электрической энергии,  есть возможность получать кислород  разложением воды под действием  электрического тока (электролизом воды):

  Однако для  получения кислорода в больших  количествах для нужд промышленности  и медицины человечество должно  было изобрести какие-то новые,  более совершенные и производительные  способы получения кислорода. Попытки создать более или менее мощную кислородную промышленность предпринимались еще с XIX века во многих странах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция огромного размера»... 
  Проще всего получить кислород из воздуха, 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 -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 и при этом заставить его производить механическую работу. Тогда в соответствии с законами физики воздух будет охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называют детандерами. 
  Чтобы получить жидкий воздух с помощью поршневых детандеров, необходимо давления порядка 200 атмосфер. Но тогда КПД у такой установки будет немногим выше, чем у паровой машины. И сама установка получается сложной, громоздкой, и дорогой.  
  В конце тридцатых годов советский физик, академик П.Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Главная особенность турбодетандера Капицы заключается 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. 
  Турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока. 
  Если газ был сжат очень сильно, то его расширение может привести к такому сильному охлаждению, что часть воздуха сжижается. Жидкий воздух собирают в специальные сосуды, называемые сосудами Дьюара.  
  Из пространства между внутренней и внешней стенками сосуда откачан воздух. Вакуум практически не проводит тепло, поэтому жидкий газ, даже имея очень низкую температуру, может сохраняться в таком сосуде длительное время. 
  Жидкий кислород кипит при более «высокой» температуре (-183^оС), чем жидкий азот (-196^оС). Поэтому при «нагревании» жидкого воздуха, когда температура этой очень холодной жидкости медленно повышается от -200^оС до -180^оС, прежде всего при -196^оС перегоняется азот (который опять сжижают) и только следом перегоняется кислород. Если такую перегонку жидких азота и кислорода произвести неоднократно, то можно получить весьма чистый кислород. Обычно его хранят в сжатом виде в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет. Характерная голубая окраска баллонов нужна для того, чтобы нельзя было спутать кислород с каким-нибудь другим сжатым газом. 
  Аппаратура для промышленного получения кислорода, как мы видим, очень сложна и энергоемка. Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода.