 |
сделать стартовой |  |
в избранное |
 |
||||||||||
|
| №15октябрь 2007Тема номера |
| Невидимый и незаменимый |
| epps.ru / Архив номеров / №15 октябрь 2007 / Невидимый и незаменимый |
| Существуют в природе такие вещи, которые мы замечаем лишь при их отсутствии. Кислород находится в нас, кислород находится вокруг нас. Кислород присутствует практически во всех окружающих нас предметах, но мы не можем его ни увидеть, ни пощупать, ни попробовать на вкус. Но если бы этот незаметный элемент вдруг исчез из природы, нас бы ждали весьма печальные последствия. Два миллиарда лет назад на нашей планете появились первые одноклеточные организмы — сине-зеленые водоросли. Водоросли эти, бурно размножающиеся в морях, были анаэробами — кислород, который так необходим нам для жизнедеятельности, этим маленьким растениям был совершенно не нужен, а скорее даже вреден. Благо, атмосфера земли в те далекие времена кислорода практически не содержала. Главной составляющей воздушного океана молодой планеты был диоксид углерода, плюс некоторые газы, которые в наше время попадают в атмосферу при вулканической деятельности. Сине-зеленые водоросли дышали углекислым газом, а кислород выделяли в качестве побочного продукта жизнедеятельности. За миллионы лет водоросли «надышали» столько кислорода, что из загрязняющего фактора он превратился в один из главных элементов атмосферы, достигая в наши дни 21% от ее объема. При таком положении дел анаэробные организмы постепенно утратили свое главенствующее положение на планете и уступили место организмам с аэробным способом дыхания, которым для существования нужен не углекислый газ, а молекулярный кислород. Для нас, существ аэробных, кислород — прежде всего бесцветный газ без вкуса и запаха, который смешан в воздухе с азотом и некоторыми другими газами. Большая же часть кислорода в природе находится не в свободном состоянии, а в виде различных химических соединений. В составе минералов кислород занимает 47% от массы земной коры, 89% массы всей воды на земле — это тоже связанный кислород. Кроме привычного нам газообразного состояния, кислород может существовать в жидкой и твердой форме. Для получения жидкого кислорода — подвижной голубой жидкости, его нужно охладить до температуры ниже -183% ? С. Твердый кислород — это синие кристаллы, которые могут существовать только при еще более низкой температуре и начинают плавиться уже при -218,7 ? С. Некоторое время считалось, что газообразный кислород не может растворяться в воде, но выяснилось что это не так. Кислород растворим, хоть и достаточно плохо. При температуре 20? С в литре воды растворяется всего 31 мл кислорода, но этого достаточно, чтобы им могли дышать рыбы. Кислород в химическом плане — прежде всего ярко выраженный окислитель. Но связь между атомами в молекуле кислорода обладает большой прочностью, и при комнатной температуре его химическая активность невысока. Один из самых важных для нас процессов, в которых может участвовать кислород при комнатной температуре — это окисление пищи в нашем организме. Кроме того, в организме кислород реагирует с железом в крови, и за счет этого может переноситься от легких к другим органам. Реакцию кислорода с железом вне нашего тела мы можем наблюдать непосредственно — в процессе окисления на поверхности стальных предметов образуется всем известная ржавчина. Кроме железа кислород способен окислять и другие металлы, за исключением так называемых «благородных» — золота, серебра и металлов платиновой группы. Гниение — это тоже медленное реагирование кислорода с органическим веществом, подобное окислению пищи. При повышении температуры химическая активность кислорода резко возрастает, он начинает активно реагировать с большинство простых и сложных веществ. Например, для взаимодействия с фосфором требуется увеличение температуры до 60°C. Чтобы пошла реакция с водородом, нужна температура более 300, для реакции с углеродом — более700, а для реагирования с азотом 1500 — 2000°C. Горение любого топлива — это окисление вещества при повышенной температуре. В ряде случаев при горении может возникнуть цепная реакция, что приводит к взрыву. Как уже было замечено, кислород не имеет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Такие его свойства позволяли долгое время ускользать кислороду из поля зрения физиков и химиков. Процесс горения, который как мы знаем — заслуга кислорода, объяснялся теорией флогистона. Флогистон, по предположению ученых, это некая невесомая жидкость, которая присутствует в веществе и улетучивается из него при горении. Интересно, что когда кислород открыли, то его способность поддерживать горение дольше, чем обычный воздух, на первых порах объясняли его способностью к объединению с большим количеством флогистонов. Кислород так и называли — »бедный флогистонами». Нынешнее же русское название кислорода, как и латинское oxygenium, — калька с греческого «рождающий кислоту». (Первоначально кислотой называли оксиды). До официального открытия кислорода химики, вероятно, уже умели получать этот газ, но понимание того, что именно рождалось в средневековых лабораториях, оставалось ученым недоступным. В 1620 году голландский механик и физик Корнелий Ван-Дреббель построил деревянную лодку, обтянутую кожей и способную перемещаться под водой при помощи весел. Свидетели говорили, что лодка могла находиться под водой несколько часов. Современные исследователи, на основании этого, предполагают, что для дыхания в лодке Дреббель использовал кислород. Однако изобретение носило военный характер, все что относилось к нему было засекречено и на развитие химии не повлияло. Так или иначе Дреббель умер, испытания лодки прекратились и слава первооткрывателей кислорода досталась шведскому химику Карлу Шееле и английскому естествоиспытателю Джозефу Пристли. Аптекарь Карл Шееле в течении многих лет изучал разложение различных веществ горением. В 1770 году Шееле прокалил селитру с серной кислотой, разложил получившийся оксид азота и стал свидетелем образования газа, который мог поддерживать дыхание и горение. «Огненный воздух» — так назвал Карл полученный газ и описал свое открытие в книге «Химический трактат о воздухе и огне». К сожалению, издание этого научного труда задержалось и опубликован был «Трактат» лишь в 1777 году. Священник Джозеф Пристли тоже занимался изучением газов, выделяемых из веществ при нагревании. В 1774 году Пристли поместил в герметичный сосуд оксид ртути и направил на него собранные линзой солнечные лучи. В полученном «дефлогистонированном воздухе», к восторгу Пристли, свеча горела «лучше и светлее чем в обычной атмосфере». К сожалению, ни Шееле, ни Пристли, получив кислород, так и не разобрались в его природе и до конца своих дней остались приверженцами теории флогистона. Поэтому считается, что третья главная фигура в истории открытия кислорода — Антуан Лоран Лавуазье. Этот французский химик, уяснив из опытов Пристли, что в процессе горения и дыхания участвует только часть воздуха, решил провести собственные исследования. Нагревая ртуть в запаянной реторте, Лавузье получил оксид ртути, причем при проведении опыта было потеряно 8 кубических дюймов воздуха, а в реторте остался азот, который не мог поддерживать ни дыхание ни горение. Разлагая полученный оксид ртути. Лавузье получил ртуть и те самые потерянные 8 кубических дюймов кислорода. Таким образом Лавузье выяснил сущность горения и опроверг теорию флогистона. Карл Шееле получал кислород из окиси ртути, сурика, селитры, азотной кислоты и пиролюзита. В наши дни для получения сравнительно небольших объемов кислорода на подводных лодках и космических кораблях используют смесь пероксида натрия и супероксида калия. Кислород высвобождается при взаимодействии этих соединений с углекислым газом. На атомных подводных лодках кислород получают разложением воды электрическим током, но для промышленной добычи кислорода такие способы не подходят. Большие объемы кислорода легче всего получать из воздуха, так как кислород там присутствует в виде смеси, а не соединения. В основе принципа разделения воздуха на составляющие лежит разность в температуре кипения азота и кислорода, -195,8°C и -182,9 °C соответственно. Для достижения таких низких температур используют метод сжатия и расширения воздуха. Первый шаг — сильное сжатие воздуха в компрессоре, при этом воздух нагревается. Второй шаг — охлаждение сжатого воздуха до комнатной температуры и принудительное быстрое расширение. При расширении температура воздуха падает на несколько десятков градусов ниже окружающей среды и этот охлажденный воздух сжимают опять, после чего снова следует охлаждение и расширение. Через несколько таких циклов температура воздуха падает ниже точки кипения азота и кислорода, получается жидкий воздух. Жидкий воздух подвергается перегонке, причем сначала испаряется азот, а кислород накапливается в остатке. При неоднократной перегонке получается практически чистый кислород, примесь азота в котором не превышает 0,1 объемного процента. Большую часть полученного промышленным способом кислорода используют в металлургии. Использование в домнах кислородного, а не воздушного дутья повышает скорость и экономичность выплавки чугуна, позволяет получать металл более высокого качества. Кислород используют в сварке металлов, применяют для изготовления взрывчатых веществ, употребляют в медицине в качестве ингаляций при затрудненном дыхании. Новое применение кислород нашел с развитием ракетной техники — в жидком виде он используется как самый мощный окислитель в реактивных двигателях. Мировая потребность промышленности в кислороде исчисляется в настоящее время миллионами тонн и несомненно будет расти и в будущем. Сергей Журавлев. |
|
| © 2006-2017. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири» Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru © Создание сайта - студия GolDesign.Ru |