Н2О + ё — Н° + Н-
Н° + Н° — H2
Для опыта используют лабораторный электролизер. Это U-образная трубка из стекла, в которую впаяны электроды. При электролитическом способе получают достаточно чистый кислород (0,1% примесей).
Рассмотрим еще один химический способ получения кислорода. Если нагревать оксид бария ВаО до 540СС, то он присоединяет атмосферный кислород с образованием пероксида бария ВаО2. Последний при нагревании до 870°С разлагается, и выделяется кислород:
2ВаО + О2 = 2ВаО2
2ВаО2 = 2ВаО + О2
Пероксид бария выполняет роль переносчика кислорода.
В прошлом столетии были разработаны установки для получения кислорода этим способом. Они включали в себя вертикально расположенные емкости, которые имели систему подогрева. Через нагретый до 400 — 500°С оксид бария пропускали ток воздуха. После образования пероксида бария подачу воздуха прекращали, а емкости нагревали до 750°С (температура разложения ВаО2).
С развитием техники получения низких температур был разработан физический способ получения кислорода из атмосферного воздуха. Он основан на глубоком охлаждении воздуха и использовании различия в температурах кипения газов, входящих в состав воздуха.
Жидкий воздух, получаемый в холодильных установках, представляет собой смесь, состоящую из 79% азота и 21 % кислорода по объему. Жидкий азот кипит при температуре — 195,8°С, а жидкий кислород — при температуре — 182,9°С. На разности температур кипения азота и кислорода основано их разделение. Для полного разделения жидкого кислорода и газообразного азота применяют многократное испарение жидкого воздуха, сопровождающееся конденсацией его паров. Этот процесс носит название фракционной перегонки или ректификации. В настоящее время этот способ стал основным способом получения технического кислорода (дешевое сырье и большая производительность установок). Жидкий кислород хранят и перевозят в специально приспособленных для этого емкостях-цистернах и танках, снабженных хорошей теплоизоляцией.
Поскольку физический способ получения кислорода широко используют в промышленности, химические способы получения практически утратили свое техническое значение и служат для получения кислорода в лаборатории.
В связи с развивающимся научно-техническим прогрессом людей всего мира начинает тревожить судьба кислорода и загрязненность атмосферы. Во многих городах уже сейчас становится трудно дышать. По данным мировой статистики, все автомобили только за час работы выбрасывают в воздух до 600 тыс. т ядовитого оксида углерода СО. При сгорании 1 т бензина в автомашине образуется 600 кг оксида углерода СО. В настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает 190 млн. машин. По прогнозам специалистов в 1980 г. их число превысит 200 млн. Эти цифры заставляют задуматься.
Отравление воздуха автомобильными выхлопными газами приняло угрожающий характер в таких городах, как, Токио, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Рим, Москва. Кроме этого, атмосферу загрязняют и другие вредные газы (SO2, H2S), зола, дым, выбрасываемые многими предприятиями. В результате за последние 100 лет количество солнечных дней вокруг промышленных центров уменьшилось на четверть: там, где их было 200, стало 150. Во всех крупных городах мира в результате густых грязных туманов солнечное освещение уменьшилось по сравнению с началом XX в. на 10—30%. В Лондоне в 1952 г. за несколько дней, пока в воздухе стоял грязный и непригодный для дыхания туман, погибло около 4000 человек. Поэтому борьба за чистоту воздуха стала одной из актуальных проблем современной гигиены.
Известно, что зеленые растения — непревзойденные очистители и санитары земной атмосферы. Фотосинтез — единственный процесс, который уже около 2 млрд. лет поддерживает круговорот кислорода в атмосфере Земли. Зеленые растения — это исполинская лаборатория, вырабатывающая кислород и поглощающая оксид углерода СО2. Ученые подсчитали, что растения земного шара ежегодно поглощают около 86,5 млрд. т оксида СО2. В связи с этим создание зеленых парков вокруг больших городов, устройство садов, разбивка скверов и цветников — составная часть современного градостроительства, столь же необходимая, как устройство водопровода и уличного освещения. Подсчитано, что в зоне зеленых насаждений Москвы, Ленинграда, Харькова запыленность воздуха в 2—3 раза меньше, чем на прилегающих улицах.
В течение последних лет в России остро стоит проблема лесных пожаров. Тысячи гектаров лесных насаждений гибнут в огне. Я считаю, что если не будут приняты чрезвычайные меры по тушению пожаров, восстановлению лесных массивов в ближайшее время нас ждет экологическая катастрофа. Горят заповедники, леса, гибнут уникальные растения, животные. В теплое время года города, села… окутаны дымом. Вредные вещества в большом количестве содержаться в воздухе, которым мы дышим. В связи, с чем возникают или обостряются различные хронические заболевания у людей, снижается иммунитет. Рождаются дети с врожденными пороками развития, иммунодефицитом, поражением центральной нервной системы…
Охрана природы, заповедников существует давно. Но вероятно, на данном этапе развития нашей страны этот вопрос остался на последнем месте. Необходимо всем людям одуматься и бережно относиться к нашей природе. Ведь 95% всех лесных пожаров возникают по их вине.
VII. Применение кислорода.
Применение любых веществ связано с их физическими и химическими свойствами, а также распространением их в природе.
Количество металла, производимого на душу населения, является одной из мер уровня развития промышленности в каждой стране. Выплавка же черных и цветных металлов невозможна без кислорода.
Сейчас в нашей стране только черная металлургия поглощает свыше 60% получаемого кислорода. Но кислород используется еще и в цветной металлургии.
Кислород интенсифицирует не только пирометаллургические процессы, но и гидрометаллургические, где основной процесс извлечения металлов из руд или их концентратов основан на воздействии специальных реагентов на водные растворы. Так, в настоящее время основным способом извлечения золота из руд является цианирование. Оно позволяет извлекать из золотоносных руд до 95% золота и поэтому применяется даже при переработке руд с низким содержанием золота. Процесс растворения золота, содержащегося в рудах, очень трудоемкая операция. Оказалось, что растворение этого металла можно значительно ускорить, если вместо воздуха использовать чистый кислород. Золото в цианистых растворах образует комплексное соединение Na[Au(CN)2], которое далее обрабатывают цинком, и в результате выделяется золото:
4Аu + 8NaCN + 2H2O + O2 = 4Na [Au(CN)2] + 4NaOH
2Na [Аu(CN)2] + Zn = Na2 [Zn (CN)4] + 2Аu
Данный метод извлечения золота из руд был разработан русским инженером П. Р. Багратионом, родственником героя Отечественной войны 1812г.
Кислород находит широкое применение в химической промышленности. На нужды этой отрасли в нашей стране расходуется около 30% производимого кислорода. Замена воздуха на кислород в процессе производства серной кислоты контактным способом повышает производительность установки в пять-шесть раз. Но не только в этом заключается выгода от применения кислорода вместо воздуха. Чистый кислород позволяет получить 100-процентный оксид серы без проведения дополнительных трудоемких операций, которые необходимы при использовании воздуха в качестве окислителя.
При получении азотной кислоты способом каталитического окисления аммиака в качестве окислителя также используется кислород. Если содержание его в воздухе повысить до 25%, то производительность установки возрастает в два раза.
При участии кислорода в процессе термоокислительного крекинга в больших масштабах получают ацетилен, который широко используется для резки и сварки металлов и для синтезов органических веществ:
6СН4 + 4О2 = С2Н2 + 8Н2 + 3СО + СО2 + 3Н2О
Кислород применяется для получения высоких температур. Если сжигать водород в токе кислорода, то при образовании 1 моль воды выделяется 286,3 кдж, а 2 моль — 572,6 кдж. Это же колоссальная энергия! Высокие температуры, достигаемые в пламени таких горелок (до 3000°С), используются для резки и сварки металлов.
Кислород служит и в космосе. Так, в двигателе второй ступени американской космической ракеты «Центавр» окислителем служил жидкий кислород. Кислород широко применяется и в ракетах для различных высотных исследований.
Жидкий кислород входит в состав взрывчатых веществ. Длительное время для различных взрывных работ применяли аммониты и другие азотсодержащие взрывчатые вещества. Их использование представляло определенные трудности, например сложность и опасность транспортировки, необходимость строительства складов. В настоящее время взрывчатые вещества с жидким кислородом можно изготовить на месте употребления. Любое пористое горючее вещество (опилки, торф, сено, солома), будучи пропитанным жидким кислородом, становится взрывчатым. Такие вещества называются оксиликвитами и при необходимости могут заменить динамит при разработке рудных месторождений. При взрыве применяют оксиликвитный патрон — простой длинный мешочек, наполненный горючим материалом, в который вставляют электронный запал. Его заряжают непосредственно перед закладкой в шпур путем погружения в жидкий кислород. Шпур — это круглое отверстие, которое бурят обычно в горных породах и наполняют взрывчатым веществом. Если взрыва оксиликвитного патрона в шпуре почему-либо не произойдет, патрон разряжается сам в результате испарения из него жидкого кислорода. Действие оксиликвитов основано на чрезвычайно быстром сгорании органических веществ в чистом кислороде. Кратковременный процесс сгорания сопровождается интенсивным выделением больших количеств тепла и газов, что обуславливает применение оксиликвитов в качестве мощных взрывчатых веществ, обладающих бризантным (дробящим) действием.
Кислород применяется в медицине, в авиации. В лечебной практике при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание, больным дают кислород из кислородных подушек, помещают их в специальные палаты, в которых поддерживается необходимая концентрация кислорода. Один вдох кислорода человеком равносилен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при вдыхании этот газ не только поступает в организм больного в достаточном количестве, но и сберегает силы для самого процесса дыхания. Кроме этого, подкожное введение кислорода оказалось эффективным при лечении некоторых заболеваний, например гангрены, тромбофлебита, слоновости и тропических язв.