Жидкий кислород

Светло-синий цвет жидкого кислорода в сосуде Дьюара.

Жи́дкий кислоро́д (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.

Из-за своей криогенной природы ЖК 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 ЖК имеют свойство непредсказуемо взрываться. Нефтепродукты часто демонстрируют такое поведение, включая асфальт.

ЖК 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. ЖК 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 емкостях объемом от нескольких десятков до 1500 м³ из нержавеющей стали, снабженных теплоизоляцией. Наружный, защитный кожух теплоизоляции может выполняться и из углеродистой стали. Резервуары транспортных емкостей 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 емкости) 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.

ЖК 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).^[1] На сегодняшний день теория Льюиса считается лишь частично верной: компьютерное моделирование показывает, что хотя в жидком кислороде не образуется стабильных молекул O₄^[2], молекулы O₂ на самом деле имеют тенденцию ассоциировать в пары с противоположными спинами, которые формируют временные объединения O₂-O₂^[2].

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:

1. Кислород - не токсичный продукт, но при работе с ним должны использоваться защитные средства, предохраняющие от возможного обморожения: летом - хлопчатобумажный комбинезон, рукавицы, кожаные сапоги, очки; зимой - валенки, подшитые кожей, теплые рукавицы, очки.

2. Кислород - весьма пожароопасный и даже взрывоопасный продукт в контакте с органическими веществами при наличии даже небольшого теплового импульса. Едва тлеющий на воздухе тепловой очаг разгорается ярким пламенем в атмосфере кислорода. Известны трагические последствия закуривания 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 контакте 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 инструментом недопустим. По окончании работ в контакте с жидким или газообразным кислородом запрещается ранее, чем через 20-30 мин подходить к открытому огню, закуривать и т.п., так как кислород длительное время удерживается в складках одежды, волосах, что при наличии огня создает пожарную опасность.

3. Сварочные и ремонтные работы в емкостях и помещениях, где хранится жидкий кислород, должны производиться только после двух - трехчасового проветривания их теплым воздухом (70-80°С). Перед заливкой кислорода в новую емкость последняя обезжиривается.

4. При перекачке жидкого кислорода производится предварительное "захолаживание" системы малым расходом продукта. Без этого в "горячей" системе образуется интенсивный поток газифицированного кислорода, который при наличии резких поворотов и перепадов давления на элементах системы (вентили и т.п.) 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.
• В 1877 году Луи-Поль Кайете (1832–1913) во Франции и Raoul Pictet (1846–1929) в Швейцарии независимо друг от друга разными методами 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

1. ↑ Gilbert N. Lewis. The magnetism of oxygen and the molecule O₄ // Journal of the American Chemical Society. — cентябрь 1924. — Т. 46. — № 9. — С. 2027—2032. — DOI:10.1021/ja01674a008
2. ↑ ^{1 2} 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

См. также

• Сжижение газов
• Жидкий азот
• Жидкий гелий

Ссылки

• Небо в стакане или опыты с жидким кислородом (Химия и Химики № 4 2012)