"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Кислород нужен промышленности и медицине в больших количествах: он помогает получать металлы, ускоряет многие процессы и поддерживает дыхание пациентов. Основное сырьё для его производства — воздух, который очищают, сжимают и охлаждают до жидкого состояния. Затем смесь разделяют фракционной перегонкой: азот испаряется раньше кислорода. Кислород сам не горит, но усиливает горение, поэтому его хранят и используют с соблюдением правил безопасности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Промышленное получение кислорода — способы получения O₂ в больших количествах для нужд промышленности и медицины. Масштаб здесь важен: кислорода должно хватать не для одного опыта, а для постоянной работы предприятий и лечебных учреждений. Поэтому выбирают сырьё и процесс, которые позволяют производить газ в больших объёмах.
Жидкий воздух — воздух, переведённый в жидкое состояние сжатием и сильным охлаждением. При этом он остаётся смесью разных веществ, а не превращается в чистый кислород. Жидкое состояние нужно, чтобы затем разделить компоненты смеси по их температурам кипения.
Фракционная перегонка — разделение жидкой смеси на компоненты с разными температурами кипения. Смесь постепенно нагревают, и вещества испаряются не одновременно. Этот способ позволяет отделить азот от кислорода, хотя до перегонки они находились вместе в воздухе.
Технический кислород — кислород промышленного производства, используемый для сварки, резки металлов, в металлургии и других отраслях. Название указывает прежде всего на его производственное назначение. Он нужен там, где требуется усилить горение или обеспечить протекание процессов окисления.
Основное сырьё для получения кислорода — воздух, потому что он окружает нас и содержит примерно 21% кислорода по объёму. Выделять кислород разложением оксидов металлов невыгодно: пришлось бы постоянно расходовать химические вещества и затрачивать энергию на их превращение. Воздух же не нужно синтезировать или добывать из редкого сырья, поэтому его промышленная переработка удобнее и экономичнее.
Перед охлаждением воздух очищают от пыли, водяного пара и углекислого газа. Пыль удаляют, а влагу и углекислый газ убирают, чтобы они не замерзали и не мешали работе оборудования при очень низких температурах. Затем воздух сжимают и охлаждают; повторяя эти операции, его доводят до жидкого состояния. Одна фильтрация не разделила бы газы, а очистила бы только от некоторых примесей.
Жидкий воздух разделяют фракционной перегонкой, потому что его компоненты кипят при разных температурах. Азот кипит при более низкой температуре, чем кислород, поэтому при нагревании первым переходит в газ. Кислород испаряется позже и может быть собран отдельно. Именно разница температур кипения, а не фильтр или химическая реакция, позволяет разделить основные газы воздуха.
После разделения кислород дополнительно очищают от оставшихся примесей и проверяют его состав. Для перевозки и хранения газ обычно сжимают и помещают в прочные специальные баллоны; крупные производства могут использовать также оборудование для хранения жидкого кислорода. Баллоны закрепляют и защищают от нагревания и повреждений. Так кислород можно доставить на заводы, в больницы и другие места, где он нужен.
Кислород востребован в металлургии, потому что подача газа усиливает горение топлива и окисление примесей в расплаве. В химической промышленности он помогает проводить реакции окисления, а в медицине его подают пациентам, которым требуется дополнительная поддержка дыхания. При сварке и резке металлов кислород используют вместе с горючим газом: его подача делает пламя более горячим. Сам кислород не горит, но поддерживает горение, поэтому его применение требует строгого соблюдения безопасности.
| Направление | Исходное вещество или среда | Основной процесс | Результат или назначение |
|---|---|---|---|
| Получение из воздуха | Воздух | Сжижение и фракционная перегонка | Кислород и азот разделяют на производстве |
| Получение электролизом воды | Вода | Разложение воды электрическим током | Образуются водород и кислород |
| Металлургия | Расплавленный металл и топливо | Подача кислорода усиливает горение и окисление примесей | Повышение температуры и ускорение выплавки металлов |
| Сварка и резка металлов | Горючий газ и кислород | Сжигание топлива в кислороде | Высокотемпературное пламя |
| Медицина | Кислородные баллоны и концентраторы | Подача кислорода пациентам | Поддержание дыхания |
Сравнивайте строки по четырём графам: так видно, что берут для процесса, как именно используют кислород и какой результат получают. Первые две строки описывают способы получения, а остальные показывают применение газа. Электролиз воды также даёт кислород, но для промышленного производства основным сырьём обычно служит воздух.
Задача 1. Объясните, почему кислород в промышленности получают главным образом из воздуха, а не разложением оксидов металлов. Сначала сравним доступность сырья: воздух есть повсюду, а оксиды нужно производить или добывать. Затем учтём, что разложение оксидов требует затрат энергии и расходует вещества, которые могут быть ценным сырьём для других процессов.
Ответ: кислород получают главным образом из воздуха, поскольку это доступное сырьё, а его разделение не требует расходовать ценные химические соединения.
Задача 2. В воздухе содержится примерно 21% кислорода по объёму. Какой объём кислорода можно получить из 1000 л воздуха, если потерями пренебречь? Доля 21% означает, что кислороду соответствует 21 часть из каждых 100 одинаковых частей воздуха. Поэтому объём кислорода найдём умножением общего объёма на 0,21.
Ответ: теоретически можно получить 210 л кислорода. В условии потерями пренебрегают, поэтому результат рассчитан для идеального извлечения всего кислорода.
Задача 3. Какой объём воздуха потребуется для получения 5,0 м³ кислорода при объёмной доле кислорода 21%, если установка работает без потерь? Здесь неизвестен общий объём смеси, а известна только его кислородная часть. Значит, объём кислорода нужно разделить на его долю: это обратное действие к умножению из предыдущей задачи.
Ответ: без потерь потребуется примерно 23,8 м³ воздуха. В реальном производстве воздуха нужно больше, потому что не весь кислород удаётся извлечь и часть теряется при работе оборудования.
Ошибка: считать, что кислород получают из воздуха простой фильтрацией. Так могут думать, потому что фильтры действительно используют при очистке воздуха. Но они задерживают пыль, а газы азот и кислород пропускают вместе. Проверьте себя: если после фильтрации оба газа остаются в смеси, значит, разделение ещё не произошло.
Ошибка: путать сжижение воздуха с его разделением. Сжижение означает переход воздуха в жидкое состояние, но состав смеси на этом этапе не разделён. Это путают, потому что оба процесса относятся к получению кислорода. Проверка простая: сначала воздух сжижают, а уже затем разделяют перегонкой.
Ошибка: утверждать, что кислород горит. Кислород часто видят рядом с ярким пламенем, поэтому его роль легко перепутать с ролью топлива. На самом деле он поддерживает горение, а горючим служит другое вещество. Чтобы проверить себя, спросите: что именно сгорает и что помогает этому процессу?
Ошибка: считать промышленный кислород полностью безопасным и хранить его возле масел или горючих веществ. Сам кислород не горит, но высокая его концентрация резко усиливает горение, поэтому даже небольшая искра может привести к опасному пожару. Проверяйте правила хранения: баллоны держат вдали от открытого огня и масел. Не используйте кислородное оборудование для действий, для которых оно не предназначено.
Для понимания получения кислорода пригодятся знания о составе воздуха: кислород в нём смешан главным образом с азотом. Также важно различать смеси и чистые вещества и знать, что компоненты смеси можно разделять физическими способами. Свойство кислорода поддерживать горение объясняет его дальнейшее применение.
Электролиз воды связывает эту тему с химическими уравнениями. При разложении воды электрическим током образуются водород и кислород: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Коэффициенты показывают соотношение веществ в реакции, а не то, что электролиз является главным промышленным способом получения кислорода.
Дальше эти знания пригодятся при изучении горения и окислительно-восстановительных реакций, в которых вещества взаимодействуют с кислородом или отдают и принимают кислород. Применение газа в металлургии показывает связь химии с производством металлов. Расчёты по объёмным долям помогают оценивать, сколько кислорода можно получить из заданного объёма воздуха.
Почему кислород не выделяют из воздуха обычным фильтрованием?
Фильтр задерживает пыль и другие твёрдые частицы, но не разделяет газообразные азот и кислород. Для их разделения воздух сначала сжижают, а затем используют разницу температур кипения компонентов.
Зачем воздух сначала переводят в жидкое состояние?
В жидком воздухе компоненты смеси можно разделять фракционной перегонкой. При нагревании они испаряются при разных температурах, поэтому азот и кислород удаётся отделить друг от друга.
Почему при перегонке жидкого воздуха первым отделяется азот?
Температура кипения азота ниже, чем у кислорода. Поэтому при нагревании жидкого воздуха азот испаряется раньше, а кислород остаётся в жидкости дольше.
Чем промышленный кислород отличается от кислорода, полученного в школьной лаборатории?
Главное различие — масштаб получения и назначение: промышленный кислород производят в больших количествах для предприятий и медицины. Его могут получать из воздуха, а в лаборатории небольшие порции обычно получают химической реакцией.
Почему кислород опасно хранить рядом с маслами и горючими веществами?
Кислород сам не горит, но резко усиливает горение других веществ. Масло или горючий материал в атмосфере, обогащённой кислородом, может загореться гораздо легче и гореть интенсивнее.
§ 20. Получение кислорода в промышленности и его применение
