Кислород вступает в соединения почти со всеми элементами периодической системы Менделеева.
Реакция соединения любого вещества с кислородом называется окислением .
Большинство таких реакций идет с выделением тепла. Если при реакции окисления одновременно с теплом выделяется свет, ее называют горением . Однако не всегда удается заметить выделяющиеся тепло и свет, так как в некоторых случаях окисление идет чрезвычайно медленно. Заметить тепловыделение удается тогда, когда реакция окисления происходит быстро.
В результате любого окисления - быстрого или медленного - в большинстве случаев образуются окислы: соединения металлов, углерода, серы, фосфора и других элементов с кислородом.
Вам, вероятно, не раз приходилось видеть, как перекрывают железные крыши. Перед тем как покрыть их новым железом, старое сбрасывают вниз. На землю вместе с железом падает бурая чешуя - ржавчина. Это гидрат окиси железа, который медленно, в течение нескольких лет, образовывался на железе под действием кислорода, влаги и углекислого газа.
Ржавчину можно рассматривать как соединение окиси железа с молекулой воды. Она имеет рыхлую структуру и не предохраняет железо от разрушения.
Для предохранения железа от разрушения - коррозии - его обычно покрывают краской или другими коррозионно устойчивыми материалами: цинком, хромом, никелем и другими металлами. Предохранительные свойства этих металлов, как и алюминия, основаны на том, что они покрываются тонкой устойчивой пленкой своих окислов, предохраняющих покрытие от дальнейшего разрушения.
Предохранительные покрытия значительно замедляют процесс окисления металла.
В природе постоянно происходят процессы медленного окисления, сходные с горением.
При гниении дерева, соломы, листьев и других органических веществ происходят процессы окисления углерода, входящего в состав этих веществ. Тепло при этом выделяется чрезвычайно медленно, и поэтому обычно оно остается незамеченным.
Но иногда такого рода окислительные процессы сами по себе ускоряются и переходят в горение.
Самовозгорание можно наблюдать в стоге мокрого сена.
Быстрое окисление с выделением большого количества тепла и света можно наблюдать не только при горении дерева, керосина, свечи, масла и других горючих материалов, содержащих углерод, но и при горении железа.
Налейте в банку немного воды и наполните ее кислородом. Затем внесите в банку железную спираль, на конце которой укреплена тлеющая лучинка. Лучинка, а за ней и спираль загорятся ярким пламенем, разбрасывая во все стороны звездообразные искры.
Это идет процесс быстрого окисления железа кислородом. Он начался при высокой температуре, которую дала горящая лучинка, и продолжается до полного сгорания спирали за счет тепла, выделяющегося при горении железа.
Тепла этого так много, что образующиеся при горении частицы окисленного железа накаляются добела, ярко освещая банку.
Состав окалины, образовавшейся при горении железа, несколько иной, чем состав окисла, образовавшегося в виде ржавчины при медленном окислении железа на воздухе в присутствии влаги.
В первом случае окисление идет до закиси-окиси железа (Fe 3 O 4), входящей в состав магнитного железняка; во втором - образуется окисел, близко напоминающий бурый железняк, который имеет формулу 2Fe 2 O 3 ∙ Н 2 O.
Таким образом, в зависимости от условий, в которых протекает окисление, образуются различные окислы, отличающиеся друг от друга содержанием кислорода.
Так, например, углерод в соединении с кислородом дает два окисла - окись и двуокись углерода. При недостатке кислорода происходит неполное сгорание углерода с образованием окиси углерода (СО), которую в общежитии называют угарным газом . При полном сгорании образуется двуокись углерода, или углекислый газ (СO 2).
Фосфор, сгорая в условиях недостатка кислорода, образует фосфористый ангидрид (Р 2 O 3), а при избытке - фосфорный ангидрид (Р 2 O 5). Сера в различных условиях горения также может дать сернистый (SO 2) или серный (SO 3) ангидрид.
В чистом кислороде горение и другие реакции окисления идут быстрее и доходят до конца.
Почему же в кислороде горение идет энергичнее, чем в воздухе?
Обладает ли чистый кислород какими-то особыми свойствами, которых нет у кислорода воздуха? Конечно, нет. И в том и в другом случае мы имеем один и тот же кислород, с одинаковыми свойствами. Только в воздухе кислорода содержится в 5 раз меньше, чем в таком же объеме чистого кислорода, и, кроме того, в воздухе кислород перемешан с большими количествами азота, который не только сам не горит, но и не поддерживает горение. Поэтому, если непосредственно около пламени кислород воздуха уже израсходован, то другой его порции необходимо пробиваться через азот и продукты горения. Следовательно, более энергичное горение в атмосфере кислорода можно объяснить более быстрой подачей его к месту горения. При этом процесс соединения кислорода с горящим веществом идет энергичнее и тепла выделяется больше. Чем больше в единицу времени подается к горящему веществу кислорода, тем пламя ярче, тем температура выше и тем сильнее идет горение.
А горит ли сам кислород?
Возьмите цилиндр и опрокиньте его вверх дном. Подведите под цилиндр трубку с водородом. Так как водород легче воздуха, он полностью заполнит цилиндр.
Зажгите водород около открытой части цилиндра и введите в него сквозь пламя стеклянную трубку, через которую вытекает газообразный кислород. Около конца трубки вспыхнет огонь, который будет спокойно гореть внутри цилиндра, наполненного водородом. Это горит не кислород, а водород в присутствии небольшого количества кислорода, выходящего из трубки.
Что же образуется в результате горения водорода? Какой при этом получается окисел?
Водород окисляется до воды. Действительно, на стенках цилиндра постепенно начинают осаждаться капельки конденсированных паров воды. На окисление 2 молекул водорода идет 1 молекула кислорода, и образуются 2 молекулы воды (2Н 2 + O 2 → 2Н 2 O).
Если кислород вытекает из трубки медленно, он весь сгорает в атмосфере водорода, и опыт проходит спокойно.
Стоит только увеличить подачу кислорода настолько, что он не успеет сгореть полностью, часть его уйдет за пределы пламени, где образуются очаги смеси водорода с кислородом, появятся отдельные мелкие вспышки, похожие на взрывы.
Смесь кислорода с водородом - это гремучий газ . Если поджечь гремучий газ, произойдет сильный взрыв: при соединении кислорода с водородом получается вода и развивается высокая температура. Пары воды и окружающие газы сильно расширяются, создается большое давление, при котором может легко разорваться не только стеклянный цилиндр, но и более прочный сосуд. Поэтому работа с гремучей смесью требует особой осторожности.
Кислород обладает еще одним интересным свойством. Он вступает в соединение с некоторыми элементами, образуя перекисные соединения.
Приведем характерный пример. Водород, как известно, одновалентен, кислород двухвалентен: 2 атома водорода могут соединиться с 1 атомом кислорода. При этом получается вода. Строение молекулы воды обычно изображают Н - О - Н. Если к молекуле воды присоединить еще 1 атом кислорода, то образуется перекись водорода, формула которой Н 2 O 2 .
Куда же входит второй атом кислорода в этом соединении и какими связями он удерживается? Второй атом кислорода как бы разрывает связь первого с одним из атомов водорода и становится между ними, образуя при этом соединение Н-О-О-Н. Такое же строение имеет перекись натрия (Na-О-О-Na), перекись бария.
Характерным для перекисных соединений является наличие 2 атомов кислорода, связанных между собой одной валентностью. Поэтому 2 атома водорода, 2 атома натрия или 1 атом бария могут присоединить к себе не 1 атом кислорода с двумя валентностями (-О-), а 2 атома, у которых в результате связи между собой также остается только две свободные валентности (-О-О-).
Перекись водорода можно получить действием разбавленной серной кислоты на перекись натрия (Na 2 O 2) или перекись бария (ВаO 2). Удобнее пользоваться перекисью бария, так как при действии на нее серной кислотой образуется нерастворимый осадок сернокислого бария, от которого перекись водорода легко отделить путем фильтрования (ВаO 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 + Н 2 O 2).
Перекись водорода, как и озон, - соединение неустойчивое и разлагается на воду и атом кислорода который в момент выделения обладает большой окислительной способностью. При низких температурах и в темноте разложение перекиси водорода идет медленно. А при нагревании и на свету оно происходит значительно быстрее. Песок, порошок двуокиси марганца, серебра или платины также ускоряют разложение перекиси водорода, а сами при этом остаются без изменения. Вещества, которые только влияют на скорость химической реакции, а сами остаются неизмененными, называются катализаторами .
Если налить немного перекиси водорода в склянку, на дне которой находится катализатор - порошок двуокиси марганца, разложение перекиси водорода пойдет с такой быстротой, что можно будет заметить выделение пузырьков кислорода.
Способностью окислять различные соединения обладает не только газообразный кислород, но и некоторые соединения, в состав которых он входит.
Хорошим окислителем является перекись водорода. Она обесцвечивает различные красители и поэтому применяется в технике для отбеливания шелка, меха и других изделий.
Способность перекиси водорода убивать различные микробы позволяет применять ее как дезинфицирующее средство. Перекись водорода употребляется для промывания ран, полоскания горла и в зубоврачебной практике.
Сильными окислительными свойствами обладает азотная кислота (HNO 3). Если в азотную кислоту добавить каплю скипидара, образуется яркая вспышка: углерод и водород, входящие в состав скипидара, бурно окислятся с выделением большого количества тепла.
Бумага и ткани, смоченные азотной кислотой, быстро разрушаются. Органические вещества, из которых сделаны эти материалы, окисляются азотной кислотой и теряют свои свойства. Если смоченную азотной кислотой бумагу или ткань нагреть, процесс окисления ускорится настолько, что может произойти вспышка.
Азотная кислота окисляет не только органические соединения, но и некоторые металлы. Медь при действии на нее концентрированной азотной кислотой окисляется сначала до окиси меди, выделяя из азотной кислоты двуокись азота, а затем окись меди переходит в азотнокислую соль меди.
Не только азотная кислота, но и некоторые ее соли обладают сильными окислительными свойствами.
Азотнокислые соли калия, натрия, кальция и аммония, которые в технике получили название селитры, при нагревании разлагаются, выделяя кислород. При высокой температуре в расплавленной селитре тлеющий уголек сгорает так энергично, что появляется яркобелый свет. Если же в пробирку с расплавленной селитрой вместе с тлеющим угольком бросить кусочек серы, горение пойдет с такой интенсивностью и температура повысится настолько, что стекло начнет плавиться. Эти свойства селитры давно были известны человеку; он воспользовался этими свойствами для приготовления пороха.
Черный, или дымный, порох приготовляется из селитры, угля и серы. В этой смеси уголь и сера являются горючими материалами. Сгорая, они переходят в газообразный углекислый газ (СO 2) и твердый сернистый калий (K 2 S). Селитра, разлагаясь, выделяет большое количество кислорода и газообразный азот. Выделившийся кислород усиливает горение угля и серы.
В результате горения развивается такая высокая температура, что образовавшиеся газы могли бы расшириться до объема, который в 2000 раз больше объема взятого пороха. Но стенки замкнутого сосуда, где обычно производят сжигание пороха, не позволяют газам легко и свободно расширяться. Создается огромное давление, которое разрывает сосуд в его наиболее слабом месте. Раздается оглушительный взрыв, газы с шумом вырываются наружу, унося с собой в виде дыма размельченные частицы твердого вещества.
Так из калийной селитры, угля и серы образуется смесь, обладающая огромной разрушительной силой.
К соединениям с сильными окислительными свойствами относятся и соли кислородосодержащих кислот хлора. Бертолетова соль при нагревании распадается на хлористый калий и атомарный кислород.
Еще легче, чем бертолетова соль, отдает свой кислород хлорная, или белильная, известь. Белильной известью отбеливают хлопок, лен, бумагу и другие материалы. Хлорная известь употребляется и как средство против отравляющих веществ: отравляющие вещества, как и многие другие сложные соединения, разрушаются под действием сильных окислителей.
Окислительные свойства кислорода, его способность легко вступать в соединение с различными элементами и энергично поддерживать горение, развивая при этом высокую температуру, уже давно обратили на себя внимание ученых различных областей науки. Особенно этим заинтересовались химики и металлурги. Но использование кислорода было ограничено, так как не было простого и дешевого способа получения его из воздуха и воды.
На помощь химикам и металлургам пришли физики. Они нашли очень удобный способ выделения кислорода из воздуха, а физико-химики научились получать его в огромных количествах из воды.
Кислород не оказывает вредного влияния на окружающую среду. Является не токсичным, не взрывоопасным и не горючим, но поддерживающим горение газом. На первый взгляд он кажется полностью безопасным, но необходимо помнить, что кислород - сильный окислитель, который увеличивает способность материалов к горению и его активность возрастает с ростом давления и температуры.
В чистом кислороде горение происходит гораздо интенсивнее, чем в воздухе, и чем выше давление, тем быстрее горение. Негорючие или трудно поддающиеся возгоранию, в обычных условиях, материалы моментально загораются в атмосфере чистого кислорода
Например: при контакте с маслами, жирами, горючими пластмассами, угольной пылью, ворсинками органических веществ и т.п. чистый кислород способен окислять их с большими скоростями, в результате чего они самовоспламеняются или взрываются. И в дальнейшем может послужить причиной пожара.
Источником воспламенения может служить теплота, выделяющаяся при быстром сжатии кислорода (поскольку реакция носит экзотермический характер и протекает с выделением большого количества теплоты), трение или удар твердых частиц о металл, а также электростатический искровой разряд в струе кислорода и другие явлениями. Имели место случаи взрыва наполненного баллона в результате резкого удара о металлические предметы при низкой температуре.
По этой причине цилиндры кислородного компрессора смазывают дистиллированной водой, в которую добавляют 10% глицерина. Кроме того, поршневые кольца компрессоров для накачивания кислорода изготавливают из графита или другого антифрикционного материала работающего без смазки и не загрязняющего органическими примесями.
Если в кислороде присутствует избыток влаги, внутренняя стенка баллона начинает подвергаться коррозии. В результате образуются рыхлые массы гидратов оксида железа (Fe(OH), Fe(OH) 2 , Fe(OH) 3) в которые свободно проникает кислород, что содействует распространению коррозии вглубь стенки.
Если баллоны наполнены сухим кислородом, то происходит очень медленное окисление железа в тонком поверхностном слое. В результате образующиеся окислы покрывают стенку сплошной пленкой препятствующей дальнейшему процессу окисления. Практика показывает, что при отсутствии влаги в даже после 20 лет эксплуатации не наблюдается заметной коррозии металла на внутренней стенке.
В процессе газовой или газовой резки в конце опорожнения баллона из-за низкого давления кислорода возможно перетекание горючего газа (ацетилена, пропана, метана) находящегося в баллоне под более высоким давлением, что приводит к образованию взрывоопасной смеси взрывающейся при обратном ударе. Поэтому при наполнении баллоны очень тщательно проверяют на наличие в них посторонних газов.
Горючие газы и пары образуют с кислородом смеси, обладающие весьма широкими пределами взрываемости при воспламенении. Взрывная волна распространяется в таких смесях с очень большой скоростью (3000 м/с и выше), когда взрыв сопровождается детонацией.
Различные пористые органические вещества, такие, как угольная мелочь и пыль, сажа, торф, шерсть, ткани из хлопка и шерсти и т. п. будучи пропитаны жидким кислородом, образуют так называемые оксиликвиты, при воспламенении которых вследствие детонации происходит сильный взрыв.
В кислороде могут загораться и углеродистые стали при достаточном количестве тепла в месте соприкосновения и незначительной массе металла (например, при трении тонких пластин о массивные детали машин, наличии частиц окалины, стружки или железного порошка).
Для предотвращения возможности возникновения пожара необходимо строго следить, чтобы объемная доля кислорода в рабочих помещениях не превышала 23%.
Несмотря на то, что человеку жизненно необходим кислород, но при длительном вдыхании чистого кислорода происходит поражение органов дыхания и легких с возможным последующим летальным исходом.
В статье мы писали о том, что жидкий кислород имеет низкую температуру, поэтому при попадании на кожу или в глаза он вызываем моментальное обморожение.
Симптомы у человека при недостатке кислорода в воздухе
Нормальное содержание кислорода в воздухе находится в пределах 21%. При понижении количества кислорода в результате сгорания или вымещения ( , ) возникает недостаток кислорода, последствия, и симптомы которого указаны в таблице ниже.
Последствия и симптомы (при атмосферном давлении) |
|
|---|---|
Снижение работоспособности. Может произойти нарушение координации. Первые симптомы могут проявиться у людей с нарушением коронарного кровообращения, общего кровообращения или работы легких |
|
Затруднение дыхания, учащение пульса, нарушение координации и восприятия. |
|
Еще более глубокое и учащенное дыхание, потеря здравомыслия, посинение губ. При нахождении в атмосфере, содержащем 12% и менее кислорода, потеря сознания происходит внезапно и так быстро, что у человека не остается времени на то, чтобы предпринять какие-то меры. |
|
Нарушение мыслительной деятельности, обморок, потеря сознания, мертвенно-бледное лицо, синие губы, рвота. |
|
8 мин - 100% летальный исход; 6 мин - 50%; 4-5 мин - возможно спасение жизни с медицинской помощью. |
|
Через 40 секунд - кома, конвульсии, прекращение дыхания, смерть. |
При наличии вышеуказанных симптомов пострадавшего следует быстро вынести на свежий воздух и дать ему подышать кислородом или сделать искусственное дыхание. Необходима немедленная медицинская помощь. Ингаляция насыщенного кислородом воздуха должна проводиться под наблюдением врача.
Правила безопасности при использовании, хранении и транспортировке кислорода
- Необходимо внимательно следить за тем, чтобы кислород не находился в контакте с горючими легковоспламеняющимися веществами.
- Следить за тем, чтобы не было утечка кислорода в воздух, поскольку даже при незначительном увеличении количества кислорода в воздухе может произойти самовозгорание горючих материалов или волос на теле, одежде и т.п.
- Все лица, в том числе и сварщики, работающие с кислородом никогда не должны надевать рабочую одежду, на которых присутствуют следы смазки или масла.
- Запрещено применение кислорода вместо воздуха для запуска дизельного двигателя.
- Запрещено использование кислорода с целью удаления пыли с рабочей одежды. При случайном попадание избыточного объема кислорода на одежду потребуется много времени для его выветривания, вплоть до нескольких часов.
- Запрещено применение кислорода для освежения воздуха.
- Вся кислородная аппаратура, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. В процессе эксплуатации исключить возможность попадания и накопления масел и жиров на поверхности деталей, работающих в контакте с кислородом.
- Оборудование, работающее в непосредственном контакте с кислородом не должно содержать пыль и металлические частицы во избежание самовозгорания.
- Перед проведением ремонтных работ или освидетельствованием трубопроводов, баллонов, стационарных и передвижных реципиентов или другого оборудования, используемого для хранения и транспортирования газообразного кислорода, необходимо продуть все внутренние объемы воздухом. Разрешается начинать работы только после снижения объемной доли кислорода во внутренних объемах оборудования до 23%.
- Запрещается баллоны, автореципиенты и трубопроводы, предназначенные для транспортирования кислорода, использовать для хранения и транспортирования других газов, а также производить какие-либо операции, которые могут загрязнить их внутреннюю поверхность.
- При погрузке, разгрузке, транспортировании и хранении баллонов должны применяться меры, предотвращающие их падение, удары друг о друга, повреждение и загрязнение баллонов маслом. Баллоны должны быть защищены от атмосферных осадков и нагрева солнечными лучами и другими источниками теплоты.
Все вышеуказанные свойства и особенности кислорода нужно иметь в виду при его использовании, хранении и транспортировке.
Термодинамический расчет равновесного состава продуктов сгорания и конверсии. Применяемые в промышленности углеводородные топлива и окислители (воздух или кислород) состоят в основном из углерода С, водорода Н, кислорода О и азота N. Расчеты показывают, что в области умеренно высоких температур (800-1800 °С) при близких к атмосферному давлениях в термодинамически равновесной смеси в заметных количествах могут присутствовать лишь СО2, СО, Н2О, Н2, N2, СН4, О2 (при коэффициенте расхода воздуха ав > 1) и сажистый углерод С (при определенных, достаточно малых значениях ав). Диссоциация Н2О, СО2, а тем более СО, Н2 и N2 при этих температурах еще незаметна, в то время как все углеводороды (кроме СН4) диссоциируют практически нацело. Одновременное присутствие в равновесной смеси заметных количеств горючих элементов и кислорода невозможно при ав 1 - горючих газов.
Натрий довольно широко применяется в качестве теплоносителя в различных энергетических установках. Он обладает достаточно хорошими физическими и теплофизическими свойствами, позволяющими осуществлять интенсивный теплосъем в различных теплообменных аппаратах (теплотворная способность 2180ккал/кг коэффициент теплопроводности, кал (см-с-град), 0,317 при 21 °С и 0,205 при 100 °С). Вместе с тем натрий характеризуется и существенными недостатками. Он обладает высокой химической активностью, благодаря которой он реагирует со многими химическими элементами и соединениями. При его горении выделяется большое количество тепла, что приводит к росту температуры и давления в помещениях. Он обладает большой реакционной способностью [температура горения около 900 °С, температура самовоспламенения в воздухе 330-360 °С, температура самовоспламенения в кислороде 118°С, минимальное содержание кислорода, необходимое для горения, 5 % объема, скорость выгорания 0,7-0,9 кг/ /(м2-мин)]. При сгорании в избытке кислорода образуется перекись NaaOa, которая с легкоокисляющимися веществами (порошками алюминия, серой, углем и др.) реагирует очень энергично, иногда со взрывом. Карбиды щелочных металлов обладают большой химической активностью в атмосфере углекислого и сернистого газов они самовоспламеняются энергично и взаимодействуют с водой со взрывом. Твердая углекислота взрывается с расплавленным натрием при температуре 350 °С. Реакция с водой начинается при температуре -98 °С с выделением водорода. Азотистое соединение NaNa взрывается при температуре, близкой к плавлению. В хлоре и фторе натрий воспламеняется при обычной температуре, с бромом взаимодействует при темпера-
Теплота сгорания топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания вещества называют тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов. Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (давление 101 кПа), одному молю топлива и температуре 298,15 К и назначают стандартной теплотой сгорания.
Продуктами сгорания называются газообраз- ые, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате процесса горения. Состав их зависит от состава горящего вещества и условий его горения. Органические и неорганические горючие вещества состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода, серы, фосфора и азота. Из них углерод, водород, сера и фосфор способны окисляться при горе-иии и образовывать продукты СО2, СО, Н2О, ЗОг и РгОа. Азот при температуре горения не способен окисляться и выделяется в свободном состоянии, а кислород расходуется на окисление горючих элементов вещества.
Несколько иной механизм действия органических растворителей в случае комбинированных горелок-распылителей з. Здесь увеличение интенсивности излучения для некоторых металлов доходит до 10-кратного, а увеличение поглощения света (для линии никеля с длиной волны 341,5 ммк) до 36-кратного. При введении в пламя органического растворителя значительно увеличивается объем пламени. Температура пламени снижается на 90-250° С при введении в пламя водных растворов (в отдельных случаях отмечалось снижение до 2600° С для пламени дициан-кислород и до 900° С для кислородно-водородного пламени з). При введении органических растворителей температура пламени снижается меньше. Таким образом, температура пламени при использовании органических растворителей выше, чем при использовании водных растворов (для кислородно-водородного пламени она составляет 2810° С с первыми и 2700° С со вторыми). К этому следует добавить более эффективное использование вещества в капельках аэрозоля за счет теплового эффекта сгорания орх анического растворителя. Все эти факторы следует рассматривать как дополнительно увеличивающие концентрацию атомов определяемого элемента в пламени и их свечение. При введении в пламя смесей водород - кислород или ацетилен - кислород растворов солей и элементов в органических
Детектор по теплоте сгорания (термохимический). Основан на измерении теплового эффекта при сгорании компонентов анализируемой пробы в присутствии катализатора. Катализатором служит платиновое проволочное сопротивление, являющееся одновременно и чувствительным элементом детектора. По конструкции этот детектор во многом аналогичен детектору по теплопроводности. В качестве газа-носителя используются только воздух или кислород, обеспечивающие горение газов. Температура нагревательных элементов достигает 800-900° С. Оба нагревательных элемента являются плечевыми сопротивлениями схемы моста Уитстона. За счет большого выделения тепла происходит большое изменение температуры нити. Отсюда чувствительность этого детектора выше в десятки раз, чем у катарометра.
К однокомпонентным топливам относятся вещества, молекула которых содержит в своем составе горючие элементы и необходимый для горения кислород, а также устойчивые смеси (растворы) горючих и окислителей, не вступающих в химическое взаимодействие друг с другом при обычных температурах. Такие топлива при сгорании не нуждаются в подаче окислителя в камеру сгорания.
Так как парциальные давления вводимых в пламя соединений определяемых элементов пренебрежимо малы, можно считать, что газовая смесь пламени состоит в основном из соединений, образующихся в ходе реакции горения, и продуктов диссоциации воды. Примерный состав газов пламен наиболее часто употребляемых горючих смесей представлен в табл. 2.2. Как это видно из таблицы, помимо продуктов полного сгорания, т. е. СОг и НгО, в газовой смеси присутствуют СО и продукты диссоциации воды свободный гидроксил ОН, Ог, Нг, О, Н, а также N2, молекулы которого при температуре пламени практически не диссоциируют. Из всех соединений, образуемых ме таллами, при этих температурах наиболее устойчивы молекулы монооксидов типа МеО, а иногда и молекулы типа МеОН. Поэтому в условиях относительно высокой концентрации свободного кислорода и гидроксила образованием молекул других соединений можно пренебречь.
Определение углерода в черных металлах основано на следующем принципе. Пробу анализируемого металла сжигают при высокой температуре в атмосфере кислорода, а полученный при этом СОг определяют с помощью газометрических, весовых или титрометрических методов. Для этого взвешенную пробу тонких металлических стружек или порошка (предварительно очищенных органическим растворителем от возможного загрязнения маслом) помещают в специальную лодочку из высококачественного фарфора, кварца или оксида алюминия. Лодочку вводят в керамическую огнеупорную трубу электрической печи и нагревают до 1200 °С. Через трубу пропускают струю кислорода, предварительно очищенного от следов СОг, восстанавливающих примесей или твердых частиц. Для сталей с высоким содержанием легирующих элементов в лодочку добавляют (менее 0,005%) более легкоплавкие металлы, такие, как медь, свинец или олово, не содержащие углерод. Пропущенный через трубу газ очищается от увлеченных частиц оксидов железа и ЗОз, полученного при сгорании содержащейся в пробе серы. Определить СОг в газе можно различными методами.
В расчетах методом суммирования широко используются термодинамические характеристики реакций образования веществ. Свободная энергия образования вещества в стандартных условиях, АРf, представляет собой изменение свободной энергии, происходящее при образовании этого вещества в его обычном состоянии (твердое тело, жидкость или газ) из составляющих элементов, находящихся в стандартном состоянии. За стандартное состояние элемента обычно принимается его наиболее стабильная форма при комнатной температуре. Стандартное состояние углерода - графит, водорода или кислорода - двухатомные газы. Изменение свободной энергии в стандартных условиях можно легко рассчитать, складывая стандартные свободные энергии образования индивидуальных компонентов реакции. Так, например, АР° для сгорания бутадиена (первая реакция в (УП-4) рассчитывается по выражению
Особенно агрессивная локальная коррозия элементов печи наблюдается при сжигании серосодержащего газа. На хромоникелевых сплавах это проявляется при температуре на 100-150°С ниже предела его окалиностойкости, а для сплавов на никелевой основе такие явления наблюдаются при 650-750 °С, если при сжигании топлива создается восстановительная среда. При достаточном избытке кислорода в продуктах сгорания серосодержащего топлива образующиеся сернистые соединения не проявляют агрессивности вплоть до 850 °С. Если же создаются условия восстановительной среды в результате неполного сгорания газа в печи и при наличии в газе SO2, то скорость коррозии резко возрастает (в 6-25 раз).
Таким образом, в конце прошлого столетия точка зрения, предполагающая, что пламенное сгорание углеводородов - это процесс непосредственного распада горючего на элементы с последующим их взаимодействием с кислородом, должна была вступить в противоречие с повседневным опытом химиков, наблюдавших внедрение кислорода в молекулу углеводорода без разрыва углеродного скелета. Первым отражением этого противоречия явились прогрессивные для того времени представления Армстронга , высказанные им еще в 1874 г. Он предположил, что промежуточные стадии пламенного сгорания углеводородов представляют собой преходящее образование неустойчивых гидроксилированных молекул, получающихся внедрением кислорода в исходную молекулу горючего. Такие окисленные образования способны при высокой температуре распадаться на стабильные кислородсодержащие промежуточные продукты, так что весь процесс может быть изображен как последовательное гидроксилирование углеводорода.
Из неметаллических элементов наиболее тугоплавки углерод и бор, т. е. элементы П1-IV групп с ковалентной связью. К сожалению, не все перечисленные элементы сохраняют достаточный уровень свойств при высоких температурах. Причина тому - состав окружающей среды. Так, например, алмаз, имеющий самую высокую температуру плавления (4200° С) из всех существующих на земле элементов, при отсутствии защитной атмосферы сгорает при 850-1000° С, а в атмосфере кислорода - при 700-850° С. Пленка окисла на молибдене появляется при 250° С, а при температурах выше 700° С окисел начинает так быстро испаряться, что кусок молибдена буквально тает на глазах. Например, молибденовый стержень диаметром 13 мм при 1100° С через 6 ч будет полностью уничтожен. Среди окислов тугоплавких металлов самую меньшую температуру плавления имеет окисел рения. Он плавится при 300° С и кипит при несколько большей температуре. Кроме безвозвратных потерь (окалина и продукты сгорания или испарения), при длительном воздействии высоких температур происходит своего рода химико-термическая обработка поверхностных слоев, газонасыщение с образованием хрупких соединений.
Сплавы на никелевой основе используют для изготовления элементов камер сгорания. Эти сплавы проявляют высокую жаростойкость при температурах 1000-1200°С в условиях окисления кислородом (воздух, продукты сгорания природного газа и др.) и подвергаются, как правило, интенсивной коррозии в средах.
В ВРД кислород воздуха, используемый для сжигания горючего, в значительной мере разбавлен азотом - балластным элементом, не участвующим в горении. Содержание кислорода в жидких окислителях значительно выше, чем в воздухе, и достигает 75-100% веса окислителя. В связи с этим концентрация химической энергии на единицу веса топлива для ЖРД (горючее - - окислитель) намного больше, чем в реактивных топливах. При сгорании топлива для ЖРД выделяется очень большое количество тепла и достигаются высокие температуры и скорости истечения продуктов сгорания, что обеспечивает получение высоких мощностей двигателя.
С увеличением температуры, воздействию которой подвергаются топлива и особенно масла, в составе осадков н отложений все больше обнаруживается соединений, обогащенных гетероатомами, преимущественно кислородом, и углеродом. В застойных зонах двигателя, где не происходит достаточного кислородного обмена, скапливается повышенное количество нагара или продуктов неполного сгорания. В составе этих сажистых плотных образований наряду с большим содержанием углерода обнаруживается значительное количество кислорода, серы, азота, а также зольных элементов. Механизм образования таких обуглероженных соединений мало изучен. Одна из теорий сгорания вещества (капельная) исходит из того, что в зонах с пониженной температурой протекает дегидрогенизация и конденсация свободных радикалов вначале до простых ароматических соеди-ний, а затем до сложных высокомолекулярных соединений с низкой упругостью паров даже при температуре пламени.
Проблема охлаждения кислородных двигателей несколько упрощается, если в качестве горючего компонента применяются вещества с повыщенньим содержанием в молекуле водородных атомов. Водород - один из наиболее теплопроизводительныл горючих элементов, но температура сгорания его в атмосфере кислорода гораздо ниже, чем других распространенных горючих. Сгорание водорода в кислороде сопровождается выделением тепла в количестве 3210 ккал/кг при идеальной температуре сгорания 4120°С, а углеродно-кислородное топливо имеет теплопроизводительность 2130 ккал/кг при идеальной температуре сгорания 5950° С.
Принципы современной калориметрии. В немногих случаях, например для газообразных НС1, HjO и Oj, можно определить теплоту образования соединения, измеряя тепло, выделяющееся при непосредственном их синтезе из элементов. Однако в большинстве случаев необходимо измерять теплоту тех реакций, для которых известны теплоты образования всех исходных веществ и продуктов реакции, за исключением интересующего нас вещества. Теплоты образования большинства органических соединений получены измерением теплоты, выделяющейся при сжигании в кислороде под давлением в бомбе при постоянном объеме. В случае НС1, как упомянуто выше, возможно измерить теплоту образования из Hj и lj при постоянном давлении около 1 атм", поэтому, если не считать второстепенных поправок, то наблюдаемый тепловой эффект представляет собой непосредственно величину АН образования. С другой стороны, результаты, получаемые при сжигании в бомбе постоянного объема под повышенным давлением, дают изменение внутренней энергии, соответствующее этому давлению эти данные должны быть подвергнуты обработке с помощью весьма тонких методов расчета для получения величины ДН при 1 атм и комнатной температуре . Кроме того, вычисление теплот образования из теплот сгорания требует знания теплот образования HjO, Oj и других соединений, образующихся в бомбе следовательно, если эти термохимические постоянные не будут определены с высокой степенью точности, то и точность вычисляемой теплоты образования будет недостаточной. Надежность определения каждой термохимической величины в значительной мере зависит от методов анализа, применявшихся для определения качественного и количественного состава образовавшихся продуктов.
Теьшература и положение второго и третьего элементов печи в течение всего, опыта не меняется. Положение первого элемента печи по отношению к лодочке и его температура определяются в соответствии с данными, приведенными в табл. 7. В процессе сгорания навески угля скорость тока кислорода в поглотительных сосудах резко снижается. В этот период следует усилить подачу кислорода, доводя ее в поглотительной цепи до 1-2 пузырьков в 1 сек. После окончания этого периода вновь устанавливают первоначальную скорость 2-3 пузырька в 1 сек., одинаковую в очистительной и поглотительной цени.
Наиболее прямой путь получения сведений об энергиях связи - использование термохимических данных, т. е. сведений о тепловых эффектах реакций. Практически чаще всего эти данные получают в виде теплот сгорания, т. е. теплового эффекта, которым сопровождается полное сгорание органического соединения до оксидов составляющих его элементов (СОг, НгО, SO2), азот, бром и иод выделяются в свободном виде, хлор образует НС1. Сжигание проводят в калориметрах - приборах, состоящих из прочных металлических сосудов для сожжения вещества под давлением кислорода, причем по повышению температуры в специальной водяной рубашке сосуда учитывают количество выделившегося тепла. Полученные данные используют для расчета теплот образования сое-динений из атомов составляющих их элементов от теплот образования переходят к энергиям связей. Так, например, теплота образования метана равна 1660 кДж/моль. Поскольку при образовании метана возникают четыре С-Н-связи, на долю каждой из них приходится энергия 1660 4 = 415 кДж/моль. Разность между теплотами образования двух соседних членов ряда парафинов составляет около 1180 кДж/моль это значение соответствует теплоте образования группы СНг, т. е. созданию дополнительной С-С-связи и двух С-Н-связей. Вычитая из приведенного выше значения энергию двух С-Н-связей, можно получить энергию
Малые длины связей между кайносимметричными и немногослойными атомами С позволяют совершаться перекрыванию облаков л-электронов, а потому для химии углерода весьл а характерны кратные связи в отличие от химии кремния. Углерод можно назвать полидесмогеном, т. е. элементом - образователем двойных и тройных связей. Эти связи настолько прочны (этому способствует заметно и энергия корреляции) и вместе с тем в отсутствие катализаторов и высоких температур настолько мало реакционноспособны (достаточно вспомнить необходимость платинового катализатора при гидрировании этиленовых производных), что органическая химия богата мономерами даже среди класса ненасыщенных соединений, молекулы которых могли бы полимеризоваться с разрывом кратных связей, если бы при помощи катализаторов была преодолена их инертность. Напомним, что и молекулы СО для своего сгорания в кислороде требуют катализаторов. Этилен полимеризуется при низких давлениях и температурах лишь в присутствии катализаторов, например, смеси триэтилалюминия и четыреххлористого титана.
При иснользовании детектора по теплоте сгорания с платиновой нитью температура чувствительного элемента поддерживается в пределах 700 - 800 С. Как показывают зависимости, приведенные на рис. 5-23, при этой рабочей температуре коэффициент теплопроводности кислорода превышает значение коэффициента теплопроводности воздуха Ядозд, в то время как теплопроводность азота Я меньше Явозд- В связи
Воспламенение струи пылевоздушной смеси, вдуваемой в топочную камеру, имеет характер вынужденного воспламенения (иначе зажигания) подобно рассмотренному выше для гомогенной газовоздушной смеои. Начинаясь по периферийной поверхности струи, воспламенение постепенно развивается в глубь ее сечения. Первоначальным источником тепла для зажигания струи пылевоздушной смеси служат эжектируемые ею высокотемпературные топочные газы, окружающие вдуваемую струю. Подмешиваясь к внешним слоям струи, топочные газы доводят их до воспламенения. В свою очередь воспламенившиеся элементы потока иылевоздушной смеси служат источником тепла для дальнейшего развития воспламенения в глубь сечения струи. В итоге при зажигании пылевоздушной струи, подобно тому как это наблюдается в струе газовоздушной, возникает фронт воопламенения. Однако следует отметить весьма существенное различие в развитии этого процесса между газо- и пылевоздушными струями. В первом случае при наличии в смеси достаточного для ее сгорания количества кислорода горение (и тепловыделение) завершается в тонком фронте пламени, разделяющем исходную невоопламененную омесь и продукты горения. Во втором случае горение и тепловыделение, начинаясь по франту воопламенения, значительно растягиваются по времени и в пространстве. Вследствие этого существенно замедляется и развитие высоких температур в зоне воспламенения, а скорость распространения фронта воспламенения резко падает по сравнению с гомогенной газовой смесью. В особенности это относится к твердым топливам, бедным летучими. Сгорание летучих, сосредоточенное в зоне фронта воспламенения, сравнительно быстро повышает температуру воспламеняющейся смеси. При большом выходе летучих развивающаяся от их сгорания температура существенно выше уровня воспламенения
Если результаты измерений теплоты сгорания органического соединения, не содержащего иных элементов, кроме углерода, водорода и кислорода, были правильно рассчитаны, то величина Qe представляет собой тепло, выделяющееся при комнатной температуре и постоянном давлении в 1 атм при сгорании в кислороде вещества в форме, стабильной при комнатной температурё, с образованием газо разной углекислоты и жидкой воды. Например, теплота сгорания этилового спирта Qтop. представляет собой величину - ДЯ процесса, изображаемого уравнением
Все описанные соотношения справедливы не только для кислородсодержащих соединений. Так, для углеводородов применимы те же соотношения, но число атомов кислорода принимается равным нулю. Для соединений, содержащих серу, азот, фосфор, в уравнении (VI,1) постоянство суммы теплот образования и теплот сгорания сохраняется, но в правую часть уравнения входит новый член, представляющий теплоту сгорания перечисленных элементов (точнее говоря - соответствующих простых веществ). Конечное состояние продуктов сгорания в этом случае принимается иногда условно. Здесь важно лишь, чтобы это состояние было одинаковым конечным состоянием, принятым при определении теплоты сгорания данного соединения. Одинаковыми должны быть и исходные состояния данного элемента в реакции, к которой относится теплота сгорания простого вещества, и в реакции образования рассматриваемого соединения нз простых веществ. Практически это замечание относится главным образом к сере, так как для нее параметры реакций образования и, в частности, теплоту образования -в настоящее время часто относят к исходному состоянию ее в виде газа с двухатомными молекулами, 5г(г). Хотя стандартное состояние такого газа в обычных условиях физически нереализуемо, термодинамически оно определено достаточно хорошо, а использование параметров его в качестве вспомогательных расчетнь1х величин дает возможность при выражении влияния температуры на параметры реакций образования избежать искажающего влия ния изменений агрегатного состояния серы при повышенных температурах. К тому же при сопоставлении серусодержащих соединений с аналогичными кислородными соединениями параметры реакций образования с участием 5г(г), естественно, показывают более закономерные соотношения, чем параметры реакций образования с участием серы ромбической.
Термохимический детектор устроен аналогично катарометру, юднако изменение электрического сопротивления нити в нем происходит за счет тепла, выделяющегося при сгорании анализируемых веществ на нагретой до высокой температуры платиновой нити, -являющейся одновременно чувствительным элементом детектора и катализатором реакции горения. Поэтому в качестве материала яити применяется только платина. Термохимический детектор прост ш удобен в обращении, достаточно чувствителен для обычной газовой хроматографии, сравнительно недорог. Однако его применение ограничено анализом только горючих веществ и необходимостью применения воздуха или даже кислорода в качестве газа-носителя. Кроме того, его чувствительность изменяется со временем, а продолжительность работы нити невелика.
В свободном состоянии элементы У1В группы - тугоплавкие металлы, вольфрам имеет максимальную для метал.л)н температуру плавления +3387 С. При сгорании металлов на воздухе образуются оксиды СггОз, МоОз и М Оз. 0ста, ьн1,и известные оксиды термически неустойчивы и после прокалмна-ния также переходят в СгдОз и МоОз (0з), выделяя либо из-быток кислорода (в случае разложения СгОз, СгОз). либо из-быток металла (для СгО, М0О2),
В табл. 1.14 приведена высшая теплотворная способность элементов при взаимодействии их с различными реагентами, отнесенная к единице массы продуктов сгорания. Теплотворная способность элементов при взаимодействии с хлором, азотом (кроме образования ВезН2 и ВЫ), бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором значительно меньше теплотворной способности элементов при взаимодействии с кислородом и фтором. Большое разнообразие требований, предъявляемых к процессам горения и реагентам (по температуре, составу, состоянию продуктов сгорания и др.), делает целесообразным использование данных табл. 1.14 при практической разработке топливных смесей того или иного назначения.
Наличие в молекуле спиртов атомов кислорода может ра ссматри-ваться как частичное сгорание горючих элементов этих соединений. Поэтому теплота сгорания у спиртов ниже, чем у углеводородов. Вследствие этого при сгорании спиртов развивается меньшая температура, что облегчает создание надежно работающего двигателя. Кроме того, спирты имеют более высокую теплоемкость и скрытую теплоту испарения, чем нефтепродукты (табл. 189). Это обстоятельство, а также высокое относительное содержание спиртов в готовых ТШ1ЛИВНЫХ смесях (до 40-50%) дает возможность с успехом использовать спирты для охлаждения стенок камеры двигателя. Достаточно
Одной из наиболее харак гедных особенностей кислорода является его способность соединяться с большинством элементов с выделением, тенла и света. Чтобы вызвать такое соединение, сгорание, часто требуется нагревание до определенной тёвшературы - температуры воспламенения, так как при обычной температуре кислород является довольно инертным веществом. Однако в присутствии влаги медленное соединение с кислородом медленное сгорание) происходит уже при обычных температурах. Важнейшим примером такого процесса является дыхание живых организмов. Но и другие нротекаюш,ие при обычных температурах процессы медленного горения в природе весьма многочисленны (см также стр, 821 и сл.).
Этот детектор использует эффект теплоты сгорания компонентов анализируемой пробы в присутствии катализатора - платинового проволочного сопротивления, являющегося одновременно и чувствительным элементом детектора. По конструкции детектор по теплоте сгорания во многом аналогичен детектору по теплопроводности. В качестве газа-носителя может применяться только воздух или кислород, обеспечивающие горение газов. Платиновые проволоки, иногда называемые филаментами, накаливаются до температуры 800-900° С. Они также находятся в сравнительной и измерительной камерах и являются плечевыми сопротивлепиями схемы моста Уитстона.
Горючим в ракетных двигателях могут быть те элементы или соединения, которые в сочетании с окислителями обеспечивают высокую теплопроизводительность топливной смеси (не менее 1500-2000 ккал кг). Элементарный фтор и некоторые фторсодержащие соединения отвечают этим требованиям из всех известных элементов, способных быть окислителями, только кислород и фтор образуют топливные смеси с высокой теплопроизводительностью. Здесь показатели фтора как окислителя в сочетании с большинством элементов (за исключением углерода) значительно превосходят показатели кислорода. Это объясняется рядом причин, в частности малым молекулярным весом фтора, низкой энергией диссоциации (38 ккал молъ), экзо-термичностью реакций со многими элементами. Высокая реакционная способность фтора, ведущая к воспламенению в его среде большинства горючих веществ, обусловлена, с одной стороны, малой величиной энергии, требуемой для разрыва связей в его молекуле, а с другой, большим количеством тепла, выделяющегося при образовании связи между атомом фтора и атомом какого-либо другого элемента (например, энергия связи С - Г равна 104 ккал моль), и, следовательно, высокой стабильностью многих соединений фтора. Например, фтористый водород, образующийся при окислении водорода или водородсодержащего горючего фтором, может существовать в молекулярной форме даже при очень высокой температуре. После молекулы азота молекула НГ - одна из самых термически стабильных. Таким образом, продукт сгорания водорода во фторе - фтористый водород-по стойкости к диссоциации и термодинамическим свойствам значительно превосходит
В опыте с брикетами на токопроводящей графитовой основе при отсутствии в газовой среде кислорода продолжительное обыскрива-ние ведет к снижению аналитического сигнала. Это обстоятельство объясняется неблагоприятными условиями для сгорания графита как основы и затруднением выхода частиц в облако разряда. Другим фактором, объясняющим это снижение, являются процессы кар-бидообразования, поскольку наиболее ярко оно проявляется для РЗЭ и других элементов, склонных к карбидообразованию,- циркония, титана. Термодинамические исследования возможных химических реакций для РЗЭ при температурах процессов выше 2000°С подтверждают высказанную точку зрения.
Основным топочным процессом, идущим и в камере сгорания газовой турбины, является процесс окисления горючего в среде кислорода воздуха. При этом развиваются довольно значительные температуры факела (порядка 1500-1600°С). В химическом смысле можно сказать, что процесс горения приводит к полной минерализации вещества, так как продуктами сгорания являются простейшие окислы СОг, НгО и т. д. Агрессивные элементы также окисляются сера до 50г и частично до 80з ванадий до высшего окисла УгОб. Таким образом, в камере сгорания происходит окисление с получением из сложных молекул исходного маэута простых окислов.
Все описанные соотношения справедливы не только для кисло-родсодержаших соединений. Так, для углеводородов применимы те же соотношения, но число атомов кислорода принимается равным нулю. Для соединений, содержащих серу, азот, фосфор, в уравнении (VI, 1) постоянство суммы теплот образования и теплот сгорания сохраняется, но в правую часть уравнения входит новый член, представляющий теплоту сгорания перечисленных элементов (точнее говоря - соответствующих простых веществ). Конечное состояние продуктов сгорания в этом случае принимается иногда условно. Здесь важно лишь, чтобы это состояние было одинаковым конечным состоянием, принятым при определени-и теплоты сгорания данного соединения. Одинаковыми должны быть и исходные состояния данного элемента в реакции, к которой относится теплота сгорания простого вещества, и в реакции образования рас-, сматриваемого соединения из простых веществ. Практически это замечание относится главным образом к сере, так как для нее па- раметры реакций образования и, в частности, теплоту образования в настоящее время часто относят к исходному состоянию ее в виде газа -с двухатомными молекулами, 5г(г). Хотя стандартное состояние такого газа в обычных условиях физически нереализуемо, термодинамически оно определено достаточно хорошо, а использование параметров его в качестве вспомогательных расчетных величин дает возможность при выражении влияния температуры
За исключением газов VIH группы, все элементы соединяются с кислородом экзотермически, но лишь некоторые из них можно резать струей кислорода. Данные о способности ряда чистых металлов разрезаться кислородом приведены в табл. VIII.2. Тот факт, что образующаяся при сгорании окись имеет иногда более низкую температуру плавления, чем основной металл (см. табл. VIII.2), не может дать исчерпывающего объяснения способности данного элемента поддаваться резке, хотя этот критерий наиболее часто используется для объяснения поведения железных сплавов при резке.
Случай (а)-недостаток кислорода. При расчете исходят из 1 г топлива, содержащего (С), (Н), (N) и (О) грамматомов соответствующих элементов. Теплоту образования твердого метательного вещества принимают равной к. Ставится задача рассчитать состав продуктов реакции, образующихся при температуре и общем давлении Р. При наличии каких-либо неорганических элементов определяют сначала их продукты сгорания и вычитают необходимое количество грамматомов из исходного числа грамматомов различных элементов.
Смотреть страницы где упоминается термин Температура сгорания элементов в кислороде : Основы общей химии Том 2 Издание 3 (1973) -- [
Эта прописная истина из заголовка не всем очевидна. И в любой теме от вырубки сраного деревца в центре города до истерик вокруг кроношпана куча необразованных людей (как правило, именно они всегда всего против, что закономерно) начинают выдавать афоризмы про «лёгкие планеты». На самом деле это обычный пропагандистский миф типа чёрных лёгких курильщика, нацеленный на некритичность мышления недалёких людей. Рассмотрим последовательно следующие утверждения (многие пункты огрублены для упрощения):
Дерево не может произвести кислород из ниоткуда, количество атомов кислорода постоянно.
Существующий сейчас несвязанный кислород накоплен сотни миллионов лет назад и сейчас просто участвует в разных химических реакциях. Ещё больше его законсервировано в оксидах Fe, Si и т.п.
Дерево - просто одна из цепочек оборота кислорода, причём крайне незначительного масштаба. Выделение кислорода - побочный эффект питания растений, которые разлагают углекислый газ CO 2 для использования углерода на собственные нужды, в основном для постройки себя же. Это происходит только на свету. Не стоит забывать, что дерево круглосуточное ещё «дышит», потребляя кислород для окислительных процессов, как любой живой организм. Разница между «выделено» и «потреблено» есть, но не такая уж большая (назовём это положительным балансом кислорода дерева).
Эта единственная небольшая разница исчезает, когда дерево отжило свою, как правило, недолгую жизнь, перестаёт расти (производить свои ткани) и ему пора на покой. Сгнивая, сгорая, разлагаясь и т.п. оно требует для окисления весь тот кислород, который вышел положительным балансом благодаря постройке деревом своих тканей в течение его жизни.
Итак, за полный жизненный цикл дерево тратит ровно столько же кислорода, сколько вырабатывает. По-другому просто быть не может.
Есть исключения. Это деревья, которые когда-то превратились в каменный уголь и прочую там ископаемую нефть. При этом положительный баланс был «законсервирован» в них. До добычи и сжигания этих видов топлива. Так что болота (где продукты смерти уходят в осадки и торф) гораздо более полезны в этом смысле.
Итак, только молодое растущее дерево имеет положительный баланс производства кислорода. Но всё равно это количество пренебрежительно мало относительно общего запаса кислорода в атмосфере.
Если вырубить все деревья в мире и вывести в открытый космос, то ничего с балансом кислорода не случится. Да, если срубить и просто бросить в лесу, то они начнут гнить и 0.00000001% кислорода из атмосферы всё же уйдёт на окислительные процесс.
Вырубка зрелого дерева и переработка его - это как раз благо для кислородного баланса, т.к. оставляет положительным выработанный баланс кислорода этим конкретным деревом.
Наверняка вы знаете, что кислород — это газ, который нужен людям и всем животным для дыхания. А что ещё можно рассказать о кислороде? Разные интересные факты о данном химическом элементе — в этом посте.
1) Открытие кислорода
Несмотря на то, что кислород является составляющей частью воздуха, для того, чтобы его открыть, химикам понадобилось немало времени. Произошло это лишь в конце 18 века.
Открытию кислорода мешало несколько заблуждений. Во-первых, химики считали, что воздух однороден и представляет из себя один химический элемент. Во-вторых, у них была ложная теория, объясняющая процессы горения. Считалось, что горение происходит в результате освобождения вымышленной субстанции — флогистона, который якобы присутствует во всех горючих веществах. Однако со временем, изучая процессы горения в закрытых колбах, химики заметили, что при этом масса воздуха уменьшается на одну пятую, и пришли к выводу, что воздух на самом деле состоит из двух частей — поддерживающей горение и не поддерживающей. Действительно, как нам сегодня известно, воздух состоит в основном из азота (которого там почти 80%) и кислорода (которого чуть больше 20%). Следующим шагом химиков было выделение кислорода при разложении оксидов и кислот и изучение его свойств. Хотя первыми подобные опыты провели швед Шееле и англичанин Пристли, они так и не поняли, что открыли новый элемент. Разобраться во всём смог лишь французский химик Лавуазье.
Лавуазье показывает опыт по обнаружению кислорода
Он же дал и название новому элементу — «оксиген», или в переводе на русский — кислород. Это название элемент получил потому, что в то время его получали путём разложения кислот, и Лавуазье ошибочно решил, что кислород присутствует в любой кислоте. На самом деле главный элемент, который придаёт кислотам их свойства — водород, а кислород есть далеко не во всех кислотах, но полученное в 18 веке название так и осталось за кислородом.
2) Кислород не только нужен для жизни, но и существует благодаря ей
Когда было обнаружено, что кислород необходим для дыхания, учёные поначалу даже испугались. Ведь со временем кислород в атмосфере закончится, и тогда все умрут! Однако вскоре было обнаружено, что растения поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород под действием света. Более того, сейчас известно, что до появления жизни в атмосфере вообще не было газообразного кислорода. И это не удивительно, поскольку кислород — очень активный химический элемент. Так что ещё до того, как Земля успела сформироваться, весь кислород соединился с другими химическими элементами.
Наполненная же кислородом атмосфера появилась далеко не сразу. Хотя жизнь возникла очень давно, первые формы жизни не нуждались в кислороде и не вырабатывали его. Около 3,5 млрд. лет назад появились первые цианобактерии, которые освоили процесс фотосинтеза. Газообразный кислород, который выделялся при этом, был побочным продуктом. Однако деятельность этих бактерий привела к глобальным и огромным изменениям. Миллиарды лет выделяемый бактериями кислород реагировал с веществами, растворёнными в океане, с газами в атмосфере и с горными породами. Но со временем все они окислились и кислород стал накапливаться в атмосфере. И только после этого вместо анаэробных форм жизни, живших в бескислородной среде, во множестве появились аэробные формы, которые, наоборот, стали использовать кислород для дыхания.
«Цветение» воды из-за сильного размножения цианобактерий
Кстати, микроскопические цианобактерии, возникшие миллиарды лет назад, до сих пор являются главным поставщиком кислорода в атмосферу Земли. Вклад больших зелёных растений заметно меньше. Все бактерии и растения вырабатывают примерно 200 млрд тонн в год, а общие запасы кислорода в атмосфере и океане составляют примерно 1200000 миллиардов тонн. Кажется, что это много, тем не менее, если на нашей планете вдруг прекратится фотосинтез, этого накопленного кислорода хватит всего на 6000 лет.
3) В чистом кислороде сгорает почти всё
Привычный нам процесс горения — это соединение различных веществ с кислородом, содержащимся в атмосфере. Кислород — второй по активности неметалл после фтора, поэтому он очень активно вступает в химические реакции. И если многие вещества легко загораются даже в обычном воздухе, в котором всего 20% кислорода, то что будет, если взять чистый, концентрированный кислород?
В чистом кислороде прекрасно сгорают такие вещества, которые обычно не горят или горят плохо, например, железо:
Ещё быстрее всё сгорит, если использовать жидкий кислород:
Если же пропитать жидким кислородом пористое или порошкообразное горючее вещество (опилки, торф, мох и т. п.), то получается мощная взрывчатка — оксиликвит.
4) Аллотропная модификация кислорода — озон — ещё более активен
Даже в простом веществе атомы могут соединяться по-разному. Это явление называется аллотропией. У кислорода тоже есть аллотропные модификации. Обычный кислород состоит из молекул с двумя атомами, именно такие молекулы наиболее устойчивы. Но при определённых условиях (например, от электрических разрядов) может образоваться озон — модификация кислорода, молекулы которого состоят из трёх атомов.
Озон — ещё более химически активное вещество, чем обычный кислород. Причина в том, что связи в тройной молекуле менее крепкие, и отдельные атомы легко от неё отрываются. По этой же причине в обычных условиях озон со временем самопроизвольно превращается в кислород, хотя при низких температурах и может храниться длительное время.
Из-за высокой активности озон реагирует с веществами, с которыми не реагирует простой кислород, например, с серебром. Также со многими веществами, которые для реакции с кислородом необходимо поджигать, озон реагирует при обычной температуре. Например спирт в присутствии озона загорается самопроизвольно, а смешивание озона с некоторыми горючими газами приводит к взрыву.
В более-менее значительных концентрациях озон ядовит и опасен для живых организмов. Но это свойство озона, как ни странно, оказывается очень полезным. Озон легко получить из кислорода при помощи озонаторов и использовать для дезинфекции воды, помещений и т. д. Озон эффективно убивает все микроорганизмы, плесень, при этом его применение не так опасно, как применение хлора и других ядовитых веществ. Причина в том, что со временем озон самопроизвольно превратится в кислород и его токсичные свойства исчезнут.
У озона есть и ещё одно крайне полезное свойство, благодаря которому жизнь на земле существует за пределами океана. Накапливаясь в верхних слоях атмосферы, этот газ поглощает вредное ультрафиолетовое излучение Солнца. Не будь в атмосфере озона, живые организмы на поверхности суши получили бы смертельную дозу радиации всего за несколько минут.
5) Кислород — очень распространённый элемент
В земной коре содержание кислорода (по массе) — почти 50%. Во Вселенной кислород — третий по распространённости элемент после водорода и гелия. А в теле человека 65% кислорода.
6) Кислород притягивается магнитом
Кислород, в отличие от большинства газов, является парамагнетиком, т. е. способен намагничиваться в магнитном поле. На этом видео можно посмотреть, как жидкий кислород притягивается к магнитам (в отличие от жидкого азота, который не притягивается):
7) Мало кислорода — вредно, много — тоже
Организм человека приспособлен к концентрации кислорода 21% (при атмосферном давлении). Но если эта концентрация снизится всего на несколько процентов, человек будет ощущать себя уже очень плохо. При падении содержания кислорода до 17% возникнет быстрая утомляемость, головокружение, головные боли, при 13% человек потеряет сознание, а при 7% умрёт.
А что будет, если дышать воздухом с повышенной концентрацией кислорода или вообще чистым кислородом? В определённых случаях это полезно. Например, в медицине применяют кислородотерапию — дыхание кислородом при лечении некоторых заболеваний (таких, как астма) и при отравлении ядовитыми газами. Тем не менее долго дышать чистым кислородом вредно, а при слишком больших концентрациях кислорода (если ещё и повысить давление) наступает кислородное отравление. Впервые столкнулись с этой проблемой водолазы, которые дышали кислородом из баллонов при повышенном давлении. При этом у них возникало онемение конечностей, тошнота и судороги. Пришлось снижать концентрацию кислорода в дыхательных аппаратах.
