"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Кислород нужен для производства стали, сварки и резки металлов, а также для медицинской дыхательной поддержки. Основное сырьё для его получения — атмосферный воздух, где кислорода около 21%. Воздух очищают, охлаждают и сжимают до жидкого состояния, а затем разделяют фракционной перегонкой. Этот способ основан на разных температурах кипения азота и кислорода. Полученный газ хранят и перевозят с соблюдением строгих правил: кислород сам не горит, но резко усиливает горение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Жидкий воздух — воздух, переведённый в жидкое состояние охлаждением и сжатием перед разделением на компоненты. Это не новое вещество, а смесь газов, которая стала жидкостью. Такой вид смеси удобен для последующего разделения.
Фракционная перегонка — способ разделения жидкой смеси по различию температур кипения её компонентов. Смесь постепенно нагревают, и вещества испаряются при разных температурах. Так можно разделить компоненты воздуха, не превращая их друг в друга.
Разделение воздуха — промышленный процесс получения кислорода и других газов из атмосферного воздуха. При этом компоненты смеси выделяют физическими способами, а не получают в результате химической реакции. Такой подход позволяет использовать содержащиеся в воздухе вещества.
Технический кислород — кислород промышленного производства, предназначенный для технических, металлургических и других практических целей. Его получают и хранят с учётом требований конкретного применения. Слово «технический» указывает на назначение продукта, а не на то, что им можно пользоваться без правил безопасности.
Для производства кислорода используют атмосферный воздух: его запасы постоянно возобновляются, а сам воздух окружает Землю. Примерно пятую часть его объёма составляет кислород, поэтому воздуха нужно переработать больше, чем кислорода требуется получить. Из воздуха можно извлекать и другие газы, например азот. Поэтому разделение воздуха служит практичным способом получить сразу несколько важных веществ.
Перед охлаждением воздух очищают от пыли, водяного пара и углекислого газа. Пыль может загрязнять оборудование, а вода и углекислый газ при очень низкой температуре замерзают и закупоривают трубопроводы. Удаление этих примесей помогает избежать неполадок в установке. Значит, очистка нужна не для выделения кислорода, а для безопасной и устойчивой работы оборудования.
Очищенный воздух охлаждают и сжимают, пока он не станет жидкостью. При обычных условиях газы перемешаны, и их компоненты трудно собирать по отдельности. В жидкой смеси вещества можно разделять, постепенно нагревая её. Сжижение — это только изменение агрегатного состояния воздуха, а не его химическое разложение.
Дальше жидкий воздух разделяют фракционной перегонкой. Она работает потому, что азот и кислород кипят при разных температурах: азот — примерно при −196 °C, кислород — примерно при −183 °C. При нагревании первым испаряется азот, температура кипения которого ниже; кислород испаряется позднее. Образующиеся пары собирают раздельно, получая азот и кислород.
Кислород хранят и перевозят в специальных баллонах или ёмкостях, рассчитанных на соответствующие условия. Это нужно, чтобы удерживать газ под давлением и не допускать утечек. Баллоны закрепляют, оберегают от повреждений и нагрева, а рядом не используют открытый огонь. Кислород сам не горит, но заметно усиливает горение многих веществ, поэтому правила безопасности особенно важны.
В таблице показаны последовательные стадии получения кислорода и области его применения. Читая её сверху вниз, можно проследить путь от сырья до готового продукта. Последние строки показывают, какие свойства кислорода используют в разных производствах.
| Этап или область применения | Что происходит | Результат или назначение |
|---|---|---|
| Воздух как сырьё | В состав воздуха входит около 21% кислорода | Источник промышленного кислорода |
| Очистка воздуха | Удаляются пыль, водяной пар и углекислый газ | Подготовка воздуха к сжижению и разделению |
| Сжижение воздуха | Воздух охлаждают и сжимают | Получают жидкую смесь азота и кислорода |
| Фракционная перегонка | Компоненты разделяются из-за разных температур кипения | Получают кислород и азот |
| Металлургия | Кислород ускоряет горение топлива и окислительные процессы | Выплавка стали и повышение эффективности производства |
| Сварка и резка металлов | Кислород поддерживает горение горючего газа | Получение пламени высокой температуры |
| Медицина | Кислород используют для дыхательной поддержки | Помощь пациентам при недостатке кислорода |
Задача 1. Назовите исходное сырьё для промышленного получения кислорода и укажите, примерно какую долю кислорода оно содержит. Здесь нужно вспомнить состав воздуха, а не искать отдельное месторождение кислорода. Долю удобно записать в процентах по объёму.
Ответ: исходное сырьё — атмосферный воздух; доля кислорода в нём составляет примерно 21% по объёму.
Задача 2. Объясните, почему при фракционной перегонке жидкого воздуха сначала отделяется азот, а затем кислород. Сначала сравним температуры кипения этих газов. При нагревании жидкой смеси раньше испаряется компонент с более низкой температурой кипения.
Ответ: азот отделяется первым, потому что его температура кипения ниже, чем у кислорода.
Задача 3. Какой объём кислорода теоретически можно получить из 500 м³ воздуха, если считать, что кислород составляет 21% его объёма? Слово «теоретически» означает, что мы пока не учитываем потери и неполноту промышленного процесса. Нужно найти 21% от заданного объёма воздуха.
Ответ: теоретически можно получить 105 м³ кислорода. Реальный объём может отличаться, потому что промышленная установка не извлекает весь кислород без потерь.
Ошибка: считать, что кислород получают химическим разложением воздуха. Так можно подумать, потому что в описании производства говорится о получении вещества из смеси. Но воздух — смесь, компоненты которой разделяют физически, а не разлагают химической реакцией. Проверьте себя: при разделении кислород и азот сохраняют свои свойства.
Ошибка: путать сжижение воздуха с его разложением. Слово «сжижение» может показаться названием способа разделения, однако оно означает переход газа в жидкое состояние. Сама смесь при этом не распадается на вещества. Проверьте себя: разделение происходит на следующем этапе — при перегонке.
Ошибка: утверждать, что кислород кипит раньше азота. Путаница возникает, если не сравнить температуры кипения или неверно прочитать отрицательные значения. У азота температура кипения ниже, поэтому он испаряется первым. Проверьте себя: −196 °C ниже, чем −183 °C.
Ошибка: считать технический кислород полностью безопасным. Кислород не является горючим газом, но поддерживает горение, и высокая его концентрация резко повышает опасность пожара. Нельзя использовать его без соблюдения правил или считать, что он подходит для дыхания без медицинских ограничений. Проверьте себя: вспомните разницу между горючим веществом и веществом, поддерживающим горение.
Для понимания способа получения кислорода нужно знать состав атмосферного воздуха, различать смесь и чистое вещество, а также представлять свойства газов и жидкостей. Разделение жидкого воздуха связывает тему со способами разделения смесей и температурами кипения. Применение кислорода помогает понять процессы горения и окисления, а также роль кислорода в металлургии, промышленности и медицине. Эти знания пригодятся, когда вы будете изучать окислительно-восстановительные процессы и применение веществ в быту.
Почему кислород не получают из воздуха простым фильтрованием?
Фильтр задерживает твёрдые частицы, например пыль, но не отделяет кислород от азота и других газов. Для разделения компонентов воздух сжижают и используют различие их температур кипения.
Зачем воздух перед разделением переводят в жидкое состояние?
В жидком состоянии компоненты воздуха можно разделять по температурам кипения. При постепенном нагревании они испаряются не одновременно, поэтому азот и кислород удаётся получить отдельно.
Почему азот отделяется от кислорода первым?
Температура кипения азота ниже: около −196 °C, тогда как у кислорода — около −183 °C. Поэтому при нагревании жидкого воздуха азот испаряется раньше.
Чем технический кислород отличается от кислорода в воздухе?
Технический кислород — продукт промышленного производства, предназначенный для практического применения. В воздухе кислород смешан главным образом с азотом, а технический продукт получают отдельно; его состав и чистота зависят от назначения и требований к продукту.
Почему рядом с кислородными баллонами нельзя пользоваться открытым огнём?
Кислород сам не горит, но в его среде многие материалы воспламеняются легче и горят намного интенсивнее. Огонь и искра рядом с баллоном могут привести к пожару, поэтому также нельзя допускать попадания на оборудование масла и жира.
§ 20. Получение кислорода в промышленности и его применение
