Жи́дкий кислоро́д (ЖК, жO ₂ , LOX ) — жидкость бледно-синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам . Является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода . Жидкий кислород обладает плотностью 1141 кг/м³ (1.141 кг/ л) (при температуре кипения) и имеет умеренно криогенные свойства с точкой замерзания 54,36 K (−218,79 °C) и точкой кипения 90,188 K (−182,96 °C).

Жидкий кислород активно применяется в космической и газовой отраслях, при эксплуатации подводных лодок , широко используется в медицине . Обычно промышленное получение основывается на фракционной перегонке воздуха . Коэффициент расширения 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 — кислород хранится в жидком состоянии в малом объёме, а при необходимости использования испаряется с образованием большого объема газообразного кислорода.

Получение

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

Физические особенности

Из-за своей очень низкой температуры жидкий кислород может вызвать хрупкость материалов , которые соприкасаются с ним.

Плотность жидкого кислорода существенно увеличивается при снижении температуры — с 1140 кг/м3 при 90 К до 1330 при 50 К. Это свойство иногда используется в ракетно-космической технике для увеличения заправки баков ракет — без изменения размеров баков в них можно залить на 10—15% больше переохлажденного жидкого кислорода, чем кипящего. Впервые это было применено на советских баллистических ракетах Р-9.

Парамагнетические свойства

Для объяснения отклонения парамагнетических свойств жидкого кислорода от закона Кюри американским физикохимиком Г. Льюисом в 1924 году была предложена молекула тетракислорода (O ₄ ). На сегодняшний день теория Льюиса считается лишь частично верной: компьютерное моделирование показывает, что хотя в жидком кислороде не образуется устойчивых молекул O ₄ , молекулы O ₂ на самом деле имеют тенденцию объединяться в пары с противоположными спинами , которые образуют временные объединения O ₂ —O ₂ .

Химические свойства

Жидкий кислород также является очень мощным окислителем : органическое вещество быстро сгорает в его среде с выделением большого количества теплоты . Более того, некоторые из этих веществ, будучи пропитанными жидким кислородом, имеют свойство непредсказуемо взрываться. Часто так ведут себя нефтепродукты , включая асфальт .

Применение

Компонент ракетного топлива

Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетного топлива , обычно в сочетании с ним используют керосин . Использование кислорода обусловлено высоким удельным импульсом , который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях . Кислород — самый дешёвый из применяемых компонентов ракетных топлив. Первое применение 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 в более поздних образцах этих ракет его не применяют из-за очень низкой температуры и необходимости регулярной дозаправки для компенсации выкипания окислителя, что затрудняет быстрый запуск. Многие современные ЖРД используют ЖК в качестве окислителя, например РД-180 , RS-25 .

Изготовление взрывчатки

Жидкий кислород также активно использовался при изготовлении взрывчатки « Оксиликвит », которая представляет собой пористые органические материалы, пропитанные жидким кислородом. Однако, сейчас она крайне редко используется из-за нестабильности свойств и большого количества происшествий и несчастных случаев.

Хранение и транспортировка

В качестве уплотнительных прокладочных материалов в системах с жидким кислородом применяются материалы, не теряющие эластичности при низких температурах: паронит , фторопласты , отожжённые медь и алюминий.

Хранение и перевозка 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 кислорода до уровня 0,1—0,5 % (в зависимости от размеров ёмкости) и скорость повышения температуры переохлажденного — до 0,4—0,5 К в сутки.

Перевозка кипящего кислорода производится с открытым вентилем газосброса, а переохлаждённого — 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

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 ядовит, но при работе с ним должны применяться защитные средства, предохраняющие от возможного обморожения: летом — хлопчатобумажный комбинезон, рукавицы, кожаные сапоги, очки; зимой — валенки, подшитые кожей, тёплые рукавицы, очки.
2. Кислород — весьма пожароопасен и даже взрывоопасен при соприкосновении 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 соприкосновении 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 приспособлениями недопустима. По окончании работ в контакте с жидким или газообразным кислородом запрещается ранее, чем через 20—30 минут, подходить к открытому огню, закуривать и тому подобное, 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-трёхчасового проветривания их тёплым воздухом (70—80°С). Новая кислородная ёмкость обязательно обезжиривается перед первой заливкой.
4. При перекачке жидкого кислорода производится предварительное «захолаживание» системы малым расходом продукта. Без этого в «горячей» системе образуется сильный поток регазифицированного кислорода, который при наличии резких поворотов и перепадов давления на элементах системы (вентили и тому подобное) 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 (из перечисленных имеет наибольшую температуру кипения −151,7 °C).
• В 1877 году Луи-Поль Кайете (1832—1913) во Франции и Рауль Пикте (1846—1929) в Швейцарии независимо друг от друга разными способами 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

См. также

• Сжижение газов
• Жидкий азот
• Жидкий гелий

Ссылки