Жидкий кислород

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Заправка жидкого кислорода в самолёт C-130H Hercules.

Жи́дкий кислоро́д (ЖК, англ. Liquid oxygen, LOX) — жидкость бледно-синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам. Является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода. Жидкий кислород обладает 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 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.

Получение[править | править код]

Основным и практически неисчерпаемым источником получения жидкого кислорода является атмосферный воздух: производится сжижение воздуха и последующее разделение его на кислород и азот.

Физические особенности[править | править код]

Из-за своей криогенной природы жидкий кислород может вызвать хрупкость материалов, которые находятся с ним в соприкосновении.

Парамагнетические свойства[править | править код]

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].

Химические свойства[править | править код]

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 жидким кислородом имеют свойство непредсказуемо взрываться. Нефтепродукты часто демонстрируют такое поведение, включая асфальт.

Применение[править | править код]

Компонент ракетного топлива[править | править код]

Жидкий кислород 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. Жидкий кислород 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-25, РД-180.

Изготовление взрывачатки[править | править код]

Жидкий кислород также активно использовался при изготовлении взрывчатки «Оксиликвит», но сейчас она редко используется из-за большого количества инцидентов и несчастных случаев.

Хранение и транспортировка[править | править код]

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 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 продукта до уровня 0,1 — 0,5 % (в зависимости от размеров ёмкости) 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.

Хранение с жидким азотом[править | править код]

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[править | править код]

  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 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 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 недопустима. 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 ёмкостях и помещениях, где хранится жидкий кислород, должны производиться только после двух-трехчасового проветривания их теплым воздухом (70-80°С). Перед заливкой кислорода в новую ёмкость 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[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 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.
  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[править | править код]

Ссылки[править | править код]