Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov<< Azot | Oglavlenie | Ftor >>
Kislorod
Izdatel'stvo "Nauka", 1977
Elektronnaya versiya: "Nauka i Tehnika", 2002
Po mneniyu lyudei religioznyh, vezdesushim, vsemogushim i v to zhe vremya nevidimym mozhet byt' tol'ko bog. V deistvitel'nosti zhe vse eti tri epiteta vpolne mozhno otnesti k himicheskomu elementu s atomnym nomerom 8 - kislorodu. Kislorod - vezdesush: iz nego v znachitel'noi stepeni sostoyat ne tol'ko vozduh, voda i zemlya, no i my s vami, nashi eda, pit'e, odezhda; v podavlyayushem bol'shinstve okruzhayushih pas veshestv est' kislorod.
Mogushestvo kisloroda proyavlyaetsya uzhe v tom, chto my im dyshim, a ved' dyhanie eto sinonim zhizni. "Dum spiro - spero": poka dyshu, - nadeyus'... Eto Ovidii. I eshe kislorod mozhno schitat' vsemogushim potomu, chto moguchaya stihiya ognya, kak pravilo, sil'no zavisit ot nashego kandidata v vezdesushie i vsemogushie.
Chto kasaetsya tret'ego epiteta - "nevidimyi", to zdes', veroyatno, net nuzhdy v dokazatel'stvah. Pri obychnyh usloviyah elementarnyi kislorod ne tol'ko bescveten i potomu nevidim, no i ne vosprinimaem, ne oshutim nikakimi organami chuvstv. Pravda, nedostatok, a tem bolee otsutstvie kisloroda my oshutili by momental'no...
Opasayas' byt' zapodozrennym v eresi i popovshine odnovremenno, avtor vynuzhden priznat'sya: ideyu sravnit' kislorod s gospodom bogom on pridumal ne sam, a zaimstvoval ee u odnogo iz personazhei poemy Alekseya Konstantinovicha Tolstogo "Potok-bogatyr'". Tam est' stroki o nekoem aptekare, kotoryi "pred tolpoyu uchen'e provodit, chto mol netu dushi, a odna tol'ko plot', i chto esli i vpryam' sushestvuet gospod', to on tol'ko est' vid kisloroda".
Troekratnoe otkrytie
1 avgusta 1774 goda ya popytalsya izvlech' vozduh iz rtutnoi okaliny i nashel, chto vozduh legko mozhet byt' izgnan iz nee posredstvom linzy. Etot vozduh ne pogloshalsya vodoi. Kakovo zhe bylo moe izumlenie, kogda ya obnaruzhil, chto svecha gorit v etom vozduhe neobychaino yarkim plamenem. Tshetno pytalsya ya naiti ob'yasnenie etomu yavleniyu.
Dzhozef Pristli
To, chto kislorod nevidim, bezvkusen, lishen zapaha, gazoobrazen pri obychnyh usloviyah, nadolgo zaderzhalo ego otkrytie.
Mnogie uchenye proshlogo dogadyvalis', chto sushestvuet veshestvo so svoistvami, kotorye, kak my teper' znaem, prisushi kislorodu.
Izobretatel' podvodnoi lodki K. Drebbel' eshe v nachale XVII v. vydelil kislorod, vyyasnil rol' etogo gaza dlya dyhaniya i ispol'zoval ego v svoei podvodnoi lodke. No raboty Drebbelya prakticheski ne povliyali na razvitie himii. Ego izobretenie nosilo voennyi harakter, i vse, chto bylo tak ili inache svyazano s nim, postaralis' svoevremenno zasekretit'.
Kislorod otkryli pochti odnovremenno dva vydayushihsya himika vtoroi poloviny XVIII v. - shved Karl Vil'gel'm Sheele i anglichanin Dzhozef Pristli. Sheele poluchil kislorod ran'she, no ego traktat "O vozduhe i ogne", soderzhavshii informaciyu o kislorode, byl opublikovan pozzhe, chem soobshenie ob otkrytii Pristli.
I vse-taki glavnaya figura v istorii otkrytiya kisloroda - ne Sheele i ne Pristli. Oni otkryli novyi gaz - i tol'ko. Otkryli kislorod - i do konca dnei svoih ostalis' revnostnymi zashitnikami teorii flogistona! Teorii - nekogda poleznoi, no k koncu XVIII v. stavshei uzhe "kandalami na nogah nauki".
Pozzhe Fridrih Engel's napishet ob etom: "Oba oni tak i ne uznali, chto okazalos' u nih v rukah. Element, kotoromu suzhdeno bylo revolyucionizirovat' himiyu, propadal v ih rukah bessledno... Sobstvenno otkryvshim kislorod, poetomu ostaetsya Lavuaz'e, a ne te dvoe, kotorye tol'ko opisali kislorod, dazhe ne dogadyvayas', chto oni opisyvayut".
Velikii francuzskii himik Antuan Loran Lavuaz'e (togda eshe ochen' molodoi) uznal o kislorode ot samogo Pristli. Spustya dva mesyaca posle otkrytiya "deflogistonirovannogo vozduha" Pristli priehal v Parizh i podrobno rasskazal o tom, kak bylo sdelano eto otkrytie i iz kakih veshestv (rtutnaya i svincovaya okaliny) novyi "vozduh" vydelyaetsya.
Do vstrechi s Pristli Lavuaz'e ne znal, chto v gorenii i dyhanii prinimaet uchastie tol'ko chast' vozduha. Teper' on po-novomu postavil nachatye dvumya godami ran'she issledovaniya goreniya. Dlya nih harakteren skrupuleznyi kolichestvennyi podhod: vse, chto mozhno, vzveshivalos' ili kak-libo inache izmeryalos'.
Lavuaz'e nablyudal obrazovanie krasnyh cheshuek "rtutnoi okaliny" i umen'shenie ob'ema vozduha pri nagrevanii rtuti v zapayannoi retorte. V drugoi retorte, primeniv vysokotemperaturnyi nagrev, on razlozhil poluchennye v predydushem opyte 2,7 g "rtutnoi okaliny" i poluchil 2,5 g rtuti i 8 kubicheskih dyuimov togo samogo gaza, o kotorom rasskazyval Pristli. V pervom opyte, v kotorom chast' rtuti byla prevrashena v okalinu, bylo "poteryano" kak raz 8 kubicheskih dyuimov vozduha, a ostatok ego stal "azotom" - ne zhiznennym, ne podderzhivayushim ni dyhaniya, ni goreniya. Gaz, vydelennyi pri razlozhenii okaliny, proyavlyal protivopolozhnye svoistva, i potomu Lavuaz'e vnachale nazval ego "zhiznennym gazom". Lavuaz'e vyyasnil sushnost' goreniya. I nadobnost' v flogistone - "ognennoi materii", yakoby vydelyayusheisya pri sgoranii lyubyh goryuchih, otpala.
Kislorodnaya teoriya goreniya prishla na smenu teorii flogistona. Za dva veka, proshedshih so vremeni otkrytiya, teoriya Lavuaz'e ne tol'ko ne byla oprovergnuta, no eshe bolee ukrepilas'.
Eto ne znachit, konechno, chto ob elemente N 8 sovremennoi nauke izvestno absolyutno vse.
Ob izvestnom i ne slishkom izvestnom
Drova goryat, zhivotnye goryat, chelovek gorit, vse gorit, a mezhdu tem ne sgoraet. Szhigayut lesa, a rastitel'nost' ne unichtozhaetsya: ischezayut pokoleniya, a chelovechestvo zhivo. Esli by vse tol'ko gorelo, to na poverhnosti zemli davno ne bylo by ni rastenii, ni zhivotnyh, byla by tol'ko uglekislota i voda.
K.A. Timiryazev
Rasskazyvat' v populyarnoi stat'e o svoistvah kisloroda - delo v vysshei stepeni neblagodarnoe. S odnoi storony, etot element sam po sebe slishkom populyaren i, rasskazyvaya o nem, riskuesh' povtoryat' mnogochislennye uchebniki. Odna iz harakternyh osobennostei kisloroda sostoit v tom, chto, navernoe, vo vseh stranah etot element "prohodyat" v shkole...
No s drugoi storony, dlya ob'yasneniya svoistv kisloroda inogda prihoditsya zabirat'sya v takie nauchnye debri, leksikon kotoryh kraine trudno "perevoditsya" na obsheprinyatyi yazyk.
Voz'mem, k primeru, takoe svoistvo kisloroda, kak paramagnitnost'. Imenno magnitnymi svoistvami element N 8 otlichaetsya ot vseh prochih gazoobraznyh (pri obychnyh usloviyah) elementov. Kislorod - aktivnyi okislitel', no est' i drugie elementy-okisliteli, naprimer ftor. Kislorod prevrashaetsya v zhidkost' pri ochen' nizkih temperaturah - no u vodoroda, geliya, azota tochki kipeniya lezhat eshe nizhe. A vot drugogo paramagnetika sredi gazoobraznyh elementov net.
Vidimoe proyavlenie paramagnetizma - sposobnost' veshestva vtyagivat'sya v magnitnoe pole - ob'yasnyaetsya tem, chto u molekul paramagnitnyh veshestv est' sobstvennyi magnitnyi moment. Est' on i u molekul kisloroda, no otkuda on beretsya?
Vneshnyaya elektronnaya obolochka kislorodnogo atoma sostoit iz shesti elektronov. Chetyre iz nih - sparennye - ob'edineny v dve pary, a dva - "holostye". Sparennye elektrony otlichayutsya drug ot druga lish' spinom. Spin - eto vnutrennii moment kolichestva dvizheniya chasticy, imeyushii kvantovuyu prirodu. Imenno etimi "momentami" opredelyayutsya vse magnitnye svoistva veshestva (diamagnetizm, ferromagnetizm, paramagnetizm i t.d.). Fizicheskii nositel' magnitnyh svoistv - ne prosto elektron, a imenno ne sparennyi elektron, potomu chto sparennye elektrony obrazuyut ustoichivuyu sistemu, ne imeyushuyu sobstvennogo magnitnogo momenta.
Idya putem sportivnyh analogii, mozhno skazat', chto sparennyi elektron podoben futbolistu, kotoryi poluchil na igru ustanovku "ne upustit'" odnogo iz sopernikov. A tot vedet sebya v sootvetstvii s ustanovkoi svoego trenera: sledi za opekayushim tebya zashitnikom, podklyuchivshis' v ataku, on, deskat', ochen' opasen. Oba uvlecheny "vzaimouderzhaniem" i v kakom-to smysle vypadayut iz igry - futbol'noi ili magnitnoi. Zato nesparennyi elektron - eto "bluzhdayushii forvard", ot kotorogo mozhno zhdat' chego ugodno (pravda, kak i v sporte, v ramkah opredelennyh pravil).
Itak, sposobnost' molekul kisloroda vtyagivat'sya i magnitnoe pole pokazyvaet, chto oni obladayut nesparennymi elektronami. Na pervyi vzglyad v etom net nichego udivitel'nogo: davno ustanovleno, chto kazhdyi atom kisloroda imeet na vneshnei obolochke dva nesparennyh elektrona. No mogut li oni ostat'sya nesparennymi pri ob'edinenii dvuh atomov kisloroda v molekulu?
Ochevidno, kazhdaya molekula O2 dolzhna obrazovyvat'sya pri pomoshi dvuh kovalentnyh svyazei O = O. No v etom sluchae na postroenie molekuly byli by izrashodovany vse chetyre nesparennyh elektrona. I togda u molekuly kisloroda ne moglo by byt' paramagnitnyh svoistv. No paramagnetizm elementa N 8 - fakt, mnogokratno podtverzhdennyi v eksperimente.
Vyskazyvalos' predpolozhenie, chto na obrazovanie dvuhatomnoi molekuly kazhdyi atom kisloroda zatrachivaet lish' odin nesparennyi elektron, a drugoi tak i ostaetsya "holostym", i eti elektrony delayut molekulu paramagnitnoi. Odnako takoe ob'yasnenie protivorechit eksperimental'nym dannym. Dlya razryva odinarnyh svyazei v gramm - molekule kisloroda potrebovalos' by okolo 50 kkal; v deistvitel'nosti zhe prihoditsya tratit' v dva s lishnim raza bol'she energii.
Vyhodit, chto v molekule kisloroda ne mozhet byt' ni dvoinoi, ni odinarnoi svyazi. Togda kakaya zhe ona, eta svyaz'?
Edinogo mneniya na etot schet u uchenyh do sih por net, i mnogie detali stroeniya molekuly kisloroda eshe ne polnost'yu vyyasneny. Vpolne udovletvoritel'no, pravda, ob'yasnenie svoistv kislorodnoi molekuly s pomosh'yu vydvinutogo kvantovoi himiei metoda molekulyarnyh orbit. Odnako eto ob'yasnenie slishkom slozhno, chtoby govorit' o nem vskol'z' v populyarnoi stat'e.
Teper' o drugih - bolee ponyatnyh i legche ob'yasnimyh svoistvah elementa N 8.
Kak i polozheno elementu, zanimayushemu mesto v pravom verhnem uglu tablicy Mendeleeva, kislorod obladaet yarko vyrazhennymi okislitel'nymi svoistvami. Naruzhnaya elektronnaya obolochka atoma kisloroda sostoit iz shesti elektronov, i k predel'no zapolnennoi obolochke (uslovie maksimal'noi himicheskoi ustoichivosti) atom kisloroda mozhet priiti dvumya putyami: ili zahvativ dva "postoronnih" elektrona, ili otdav shest'. Pervyi put', estestvenno, proshe, on trebuet men'shih zatrat energii. Poetomu v reakciyah s podavlyayushim bol'shinstvom atomov kislorod vystupaet v roli okislitelya. Esli mozhno tak vyrazit'sya, okislitel'nee kisloroda tol'ko odin element - ftor. Lish' v reakciyah s ftorom okislitelem okazyvaetsya ne element N 8, a ego partner.
Dlya razvitiya aktivnoi reakcii kisloroda s bol'shinstvom prostyh i slozhnyh veshestv nuzhno nagrevanie - chtoby preodolet' potencial'nyi bar'er, prepyatstvuyushii himicheskomu processu. Energeticheskaya "dobavka" (energiya aktivacii) v raznyh reakciyah nuzhna raznaya. S fosforom kislorod aktivno reagiruet pri nagrevanii poslednego do 60, s seroi - do 250, s vodorodom - bol'she 300, s uglerodom (v vide grafita) - pri 700...800oC. Pravda, est' veshestva, naprimer okis' azota, soedineniya odnovalentnoi medi i, k schast'yu, gemoglobin krovi, sposobnye reagirovat' s kislorodom i pri komnatnoi temperature. S pomosh'yu katalizatorov, snizhayushih energiyu aktivacii, mogut idti bez podogreva i drugie processy, v chastnosti soedinenie kisloroda s vodorodom.
Obychno zhe eta reakciya idet pri povyshennyh temperaturah i protekaet ochen' burno - mozhet dazhe pereiti vo vzryv. Takoi process proishodit po sheme razvetvlennoi cepnoi reakcii. (Teoriya cepnyh reakcii sozdana v rezul'tate raboty mnogih uchenyh i v pervuyu ochered' - laureata Nobelevskoi premii akademika N.N. Semenova). Cepnye reakcii nachinayutsya s obrazovaniya nestabil'nyh aktivnyh chastic - svobodnyh radikalov, "nositelei" nesparennyh elektronov (na sheme oni oboznacheny zvezdochkami). Oni-to i vedut reakciyu "po cepochke":
Vysokaya okislitel'naya sposobnost' kisloroda lezhit v osnove goreniya vseh vidov topliva, vklyuchaya poroha, dlya goreniya kotoryh ne nuzhen kislorod vozduha: v processe goreniya takih veshestv kislorod vydelyaetsya iz nih samih.
Kislorod - odin iz sil'nyh okislitelei. Ob etom mozhno sudit' hotya by potomu, chto baki s zhidkim kislorodom - neobhodimaya prinadlezhnost' bol'shinstva zhidkostnyh raketnyh dvigatelei.
Vprochem, daleko ne vsegda okislitel'nye reakcii s uchastiem kisloroda vyglyadyat kak stihiya plameni ili vzryva.
Processy medlennogo okisleniya razlichnyh veshestv pri obychnoi temperature imeyut dlya zhizni ne men'shee znachenie, chem gorenie - dlya energetiki.
Medlennoe okislenie veshestv pishi v nashem organizme - "energeticheskaya baza" zhizni. (Zametim poputno, chto nash organizm ne slishkom ekonomno ispol'zuet vdyhaemyi kislorod: v vydyhaemom vozduhe kisloroda primerno 16%.) Teplo preyushego sena - rezul'tat medlennogo okisleniya organicheskih veshestv rastitel'nogo proishozhdeniya. Medlennoe okislenie navoza i peregnoya sogrevaet parniki...
No ne vsegda medlennoe okislenie organicheskih veshestv bezvredno i bezopasno. Esli teplo, vydelyayusheesya v etom processe, ne otvoditsya, mozhet proizoiti samovosplamenenie. Eto izvestno izdavna. V uchebnike himii, vypushennom v Rossii v 1812 g., rasskazyvalos' o pozharah v Peterburge, vyzvannyh etim yavleniem. "V 1770 g. sdelalsya velikii pozhar v pen'kovom magazine na ostrove Malyya Nevy, gde sovsem ne derzhali ognya". Pravda, v tom zhe uchebnike rasskazyvalos' o sluchae samovosplameneniya "odnoi staruhi iz Severnoi Ameriki" s primechaniem, chto "sne proishodit preimushestvenna s lyud'mi, nevozderzhannymi v upotreblenii spirtnyh napitkov"...
Pamyatuya o neobhodimosti bor'by s p'yanstvom silami pechati i nauki, ne stoilo by oprovergat' podobnye zayavleniya. No, uvy, fakty - vesh' upryamaya: chelovecheskii organizm rasseivaet teplo v prostranstve, i dazhe samye prozhzhennye p'yanicy fizicheski ne mogut samovosplamenit'sya. Horosho, chto s nauchnoi tochki zreniya protivopolozhnyi tezis - p'yanogo bog berezhet - stol' zhe nesostoyatelen.
Zakanchivaya glavu o svoistvah i osobennostyah kisloroda, napomnim - sovsem korotko - o krugovorote etogo elementa v prirode.
Esli by rasteniya v processe fotosinteza ne prevrashali vodu i uglekislyi gaz v organicheskie soedineniya i etot process ne soprovozhdalsya vysvobozhdeniem svyazannogo kisloroda, to, ischerpav dovol'no bystro zapasy atmosfernogo kisloroda, ves' zhivotnyi mir, vklyuchaya chelovechestvo, vskore zadohnulsya by. No i rasteniyam posle etogo prishlos' by nesladko.
Delo v tom, chto rasteniya, podobno zhivotnym, potreblyayut atmosfernyi kislorod, pravda oni delayut eto isklyuchitel'no v temnoe vremya sutok. Na noch', kogda prekrashayutsya processy fotosinteza, rasteniya iz proizvoditelei kisloroda prevrashayutsya v ego potrebitelei. Eto yavlenno nablyudal eshe Sheele. A drugoi pervootkryvatel' kisloroda Dzh. Pristli eshe do togo, kak kislorod byl otkryt, vyyasnil, chto zelenaya vetka myaty, pomeshennaya pod steklyannyi kolpak s vozduhom, v kotorom uzhe pogasla svecha, vozvrashaet etomu vozduhu sposobnost' podderzhivat' dyhanie i gorenie.
Kislorod i promyshlennost'
|
Eti stroki vyneseny v epigraf otnyud' ne za poeticheskie dostoinstva. Kislorod deistvitel'no nuzhen "na zemle i pod zemleyu" i voobshe "vsyudu, gde narod", naprimer v kosmicheskih korablyah. Pervootkryvatel' kisloroda Dzh. Pristli predugadal odno iz vazhnyh primenenii elementarnogo kisloroda - v medicine. "On mozhet byt' ochen' polezen pri nekotoryh tyazhelyh boleznyah legkih, kogda obychnyi vozduh ne mozhet dostatochno bystro udalyat' flogistonirovannye isporchennye ispareniya".
Kislorod primenyaetsya v lechebnoi praktike ne tol'ko pri legochnyh i serdechnyh zabolevaniyah, kogda zatrudneno dyhanie. Podkozhnoe vvedenie kisloroda okazalos' effektivnym sredstvom lecheniya takih tyazhelyh zabolevanii, kak, naprimer, gangrena, slonovost', troficheskie yazvy.
Ne menee vazhen element N 8 i dlya promyshlennosti. Obogashenie vozduha kislorodom delaet effektivnee, bystree, ekonomichnee mnogie tehnologicheskie processy, v osnove kotoryh - okislenie. A takih processov - mnogo. Na nih poka derzhitsya pochti vsya teplovaya energetika. Prevrashenie chuguna v stal' tozhe nevozmozhno bez kisloroda. Imenno kislorod "izymaet" iz chuguna izbytok ugleroda.
Zamena vozdushnogo dut'ya "kislorodnym" (v martenovskuyu pech' ili konvertor obychno podaetsya ne chistyi kislorod, a vozduh, obogashennyi kislorodom) namnogo uvelichivaet proizvoditel'nost' staleplavil'nyh agregatov. Odnovremenno uluchshaetsya i kachestvo stali.
Pri zamene obychnogo vozduha smes'yu 35% kisloroda i 65% azota rashod koksa v processe vyplavki ferrosplavov (ferromarganca, ferrosiliciya, ferrofosfora) snizhaetsya pochti v dva raza, a proizvoditel'nost' pechi vozrastaet bolee chem vdvoe.
Seichas v nashei strane chernaya metallurgiya pogloshaet bolee 60% poluchaemogo kisloroda. Nuzhen kislorod i v cvetnoi metallurgii. Tak, pri vyplavke svinca na Ust'-Kamenogorskom svincovo-cinkovom kombinate dut'e, obogashennoe kislorodom do 30...31%, snizilo rashod topliva na 35, a flyusov - na 54%. Ekonomiya za devyat' let sostavila okolo 13 mln rublei.
Pri szhiganii vodoroda v toke kisloroda obrazuetsya ves'ma obyknovennoe veshestvo - H2O. Konechno, radi polucheniya etogo veshestva ne sledovalo by zanimat'sya szhiganiem vodoroda (kotoryi, kstati, chasto imenno iz vody poluchayut). Cel' etogo processa inaya, ona budet yasna, esli tu zhe reakciyu zapisat' polnost'yu, uchityvaya ne tol'ko himicheskie produkty, no i energiyu, vydelyayushuyusya v hode reakcii: N2 + 0,5O2 = N2O + 68 317 kal. Pochti sem'desyat bol'shih kalorii na gramm-molekulu! Tak mozhno poluchit' ne tol'ko "more vody", no i "more energii". Dlya etogo i poluchayut vodu v reaktivnyh dvigatelyah, rabotayushih na vodorode i kislorode.
Ta zhe reakciya ispol'zuetsya dlya svarki i rezki metallov. Pravda, v etoi oblasti vodorod mozhHo zamenit' acetilenom. Kstati, acetilen vse v bol'shih masshtabah poluchayut imenno s pomosh'yu kisloroda, v processah termookislitel'nogo krekinga: 6CH4 + 4O2 
HC 
CH + 8H2 + ZCO + CO2 + ZH2O. Eto tol'ko odin primer ispol'zovaniya kisloroda v himicheskoi promyshlennosti. Element N 8 nuzhen dlya proizvodstva mnogih veshestv (dostatochno vspomnit' ob azotnoi kislote), dlya gazifikacii uglei i mazuta... Na nuzhdy etoi otrasli rashoduetsya nemalo kisloroda.
Lyuboe poristoe goryuchee veshestvo, naprimer opilki, buduchi propitannymi golubovatoi holodnoi zhidkost'yu - zhidkim kislorodom, stanovitsya vzryvchatym veshestvom. Takie veshestva nazyvayutsya oksilikvitami i v sluchae neobhodimosti mogut zamenit' dinamit pri razrabotke rudnyh mestorozhdenii.
Ezhegodnoe mirovoe proizvodstvo (i potreblenie) kisloroda izmeryaetsya millionami tonn. Ne schitaya kisloroda, kotorym my dyshim.
Promyshlennost' kisloroda
Tak kak goreniem v takom gaze mozhno poluchit' ochen' vysokie temperatury, poleznye vo mnogih... primeneniyah, to byt' mozhet, chto pridet vremya, kogda ukazannym putem stanut na zavodah i voobshe dlya promyshlennosti obogashat' vozduh kislorodom.
D.I. Mendeleev
Popytki sozdat' bolee ili menee moshnuyu kislorodnuyu promyshlennost' predprinimalis' eshe v proshlom veke v. mnogih stranah. No ot idei do tehnicheskogo voplosheniya chasto lezhit "distanciya; ogromnogo razmera"...
V Sovetskom Soyuze osobenno bystroe razvitie kislorodnoi promyshlennosti nachalos' v gody Velikoi Otechestvennoi voiny, posle izobreteniya akademikom P.L. Kapicei turbodetandera i sozdaniya moshnyh vozduhorazdelitel'nyh ustanovok.
Eshe Karl Sheele poluchal kislorod po men'shei mere pyat'yu sposobami: iz okisi rtuti, surika, selitry, azotnoi kisloty i pirolyuzita. Na podvodnyh lodkah i seichas poluchayut kislorod, razlagaya bogatye etim elementom hloraty i perhloraty. V lyuboi shkol'noi laboratorii demonstriruyut opyt - razlozhenie vody na kislorod i vodorod elektrolizom. No ni odin iz etih sposobov ne mozhet udovletvorit' potrebnosti promyshlennosti v kislorode.
Energeticheski proshe vsego poluchit' element N 8 iz vozduha, poskol'ku vozduh - ne soedinenie, i razdelit' vozduh ne tak uzh trudno. Temperatury kipeniya azota i kisloroda otlichayutsya (pri atmosfernom davlenii) na 12,8oC. Sledovatel'no, zhidkii vozduh mozhno razdelit' na komponenty v rektifikacionnyh kolonnah tak zhe, kak delyat, naprimer, neft'.
No chtoby prevratit' vozduh v zhidkost', ego nuzhno ohladit' do minus 196oC. Mozhno skazat', chto problema polucheniya kisloroda - eto problema polucheniya holoda.
Chtoby poluchat' holod s pomosh'yu obyknovennogo vozduha, poslednii nuzhno szhat', a zatem dat' emu rasshirit'sya i pri etom zastavit' ego proizvodit' mehanicheskuyu rabotu. Togda v sootvetstvii s zakonami fiziki vozduh obyazan ohlazhdat'sya. Mashiny, v kotoryh eto proishodit, nazyvayut detanderami.
Do 1938 g. dlya polucheniya zhidkogo vozduha pol'zovalis' tol'ko porshnevymi detanderami. Po sushestvu, takoi detander - eto analog parovoi mashiny, tol'ko rabotaet v nem ne par, a szhatyi vozduh.
Chtoby poluchit' zhidkii vozduh s pomosh'yu takih detanderov, nuzhny byli davleniya poryadka 200 atm., prichem po neizbezhnym tehnicheskim prichinam na raznyh stadiyah processa davlenie bylo ne odinakovym: ot 45 do 200 atm. KPD ustanovki byl nemnogim vyshe, chem u parovoi mashiny. Ustanovka poluchilas' slozhnoi, gromozdkoi, dorogoi.
V konce 30-h godov sovetskii fizik akademik P.L. Kapica predlozhil ispol'zovat' v kachestve detandera turbinu. Ideya - ne novaya, ee eshe v konce proshlogo veka vyskazyval Dzh. Relei, no k.p.d. "dokapicynskih" turbin dlya szhizheniya vozduha byl nevysok. Poetomu nebol'shie turbodetandery lish' vypolnyali koe-kakuyu podsobnuyu rabotu pri porshnevyh detanderah.
Kapica sozdal novuyu konstrukciyu, kotoraya, po slovam izobretatelya, byla "kak by kompromissom mezhdu vodyanoi i parovoi turbinoi". Glavnaya osobennost' turbodetandera Kapicy v tom, chto vozduh v nei rasshiryaetsya ne tol'ko v soplovom apparate, no i na lopatkah rabochego kolesa. Pri etom gaz dvizhetsya ot periferii kolesa k centru, rabotaya protiv centrobezhnyh sil.
Takaya konstrukciya turbiny pozvolila podnyat' k.p.d. ustanovki s 0,5 do 0,8. I, krome togo, turbodetander "delaet" holod s pomosh'yu vozduha, szhatogo vsego lish' do neskol'kih atmosfer. Ochevidno, chto 6 atm. poluchit' namnogo proshe i deshevle, chem 200. Nemalovazhno dlya ekonomiki i to, chto energiya, kotoruyu otdaet rasshiryayushiisya vozduh, ne propadaet naprasno, ona ispol'zuetsya dlya vrasheniya rotora generatora elektricheskogo toka.
Sovremennye ustanovki dlya razdeleniya vozduha, v kotoryh holod poluchayut s pomosh'yu turbodetanderov, dayut promyshlennosti, prezhde vsego metallurgii i himii, sotni tysyach kubometrov gazoobraznogo kisloroda. Oni rabotayut ne tol'ko u nas, no i vo vsem mire.
Pervyi opytnyi obrazec turbodetandera byl nevelik. Ego rotor vos'mi santimetrov v diametre vesil vsego 250 g. No, kak pisal P.L. Kapica v 1939 g., "eksperimental'naya ekspluataciya etogo turbodetandera pokazala, chto on yavlyaetsya nadezhnym i ochen' prostym mehanizmom. Tehnicheskii k.p.d. poluchaetsya 0,79...0,83". I etot turbodetander stal "serdcem" pervoi ustanovki dlya polucheniya kisloroda novym metodom.
V 1942 g. postroili podobnuyu, no uzhe namnogo bolee moshnuyu ustanovku, kotoraya proizvodila do 200 kg zhidkogo kisloroda v chas. V konce 1944 g. vvoditsya v stroi samaya moshnaya v mire turbokislorodnaya ustanovka, proizvodyashaya v 6...7 raz bol'she zhidkogo kisloroda, chem ustanovka starogo tipa, i pri etom zanimayushaya v 3...4 raza men'shuyu ploshad'.
Sovremennyi blok razdeleniya vozduha BR-2, v konstrukcii kotorogo takzhe ispol'zovan turbodetander, mog by za sutki raboty snabdit' tremya litrami gazoobraznogo kisloroda kazhdogo zhitelya SSSR.
30 aprelya 1945 g. Mihail Ivanovich Kalinin podpisal Ukaz o prisvoenii akademiku P.L. Kapice zvaniya Geroya Socialisticheskogo Truda "za uspeshnuyu razrabotku novogo turbinnogo metoda polucheniya kisloroda i za sozdanie moshnoi turbokislorodnoi ustanovki". Institut fizicheskih problem Akademii nauk SSSR, v kotorom sdelana eta rabota, byl nagrazhden ordenom Trudovogo Krasnogo Znameni.
Neskol'ko strok v zaklyuchenie
...V zaklyuchenie zadadim vopros: neuzheli zhe doblest', muzhestvo, talant, ostroumie, voobrazhenie - vse eti zamechatel'nye svoistva chelovecheskogo duha obuslovleny tol'ko kislorodom? - Takova teoriya doktora Oksa.
Zhyul' Vern
Etogo mneniya, pri vsem uvazhenii k kislorodu, avtor ne razdelyaet. Ne nado pripisyvat' kislorodu togo, chto on dat' ne mozhet. On i bez etogo slishkom mnogo dlya nas znachit.
Prichina "elektricheskogo zapaha"
"Elektricheskii zapah" neizmenno poyavlyalsya vo vremya pervyh opytov po elektrolizu vody. Lish' v seredine proshlogo veka bylo dokazano, chto etot zapah prinadlezhit ne samomu elektrichestvu, a poputno obrazuyushemusya pri elektrolize veshestvu, kotoroe nazvali ozonom (ot grecheskogo
- pahnu).
Vskore bylo dokazano, chto ozon sostoit tol'ko iz kislorodnyh atomov; on obrazuetsya pod deistviem elektricheskih razryadov v vozduhe i v chistom kislorode. Ozon v poltora raza plotnee obychnogo kisloroda. Ego formula O3. Ozon gorazdo legche, chem kislorod, prevrashaetsya v zhidkost', no v tverdoe sostoyanie perehodit pri eshe bolee nizkoi, chem kislorod, temperature. Temperatura kipeniya kisloroda i ozona sootvetstvenno minus 182,97 i minus 111,9oC, a temperatura plavleniya - minus 218,8 dlya O2 i minus 192,7oC dlya O3. Cvet zhidkogo kisloroda svetlo-goluboi, ozona - temno-sinii s fioletovym ottenkom. I v gazoobraznom sostoyanii ozon ne bescveten, emu prisusha dovol'no intensivnaya sinyaya okraska.
No malo kto videl sinii ozon - eto veshestvo ne stoiko, ego ochen' trudno skoncentrirovat'. Pri ochen' malyh koncentraciyah zapah u ozona priyatnyi, osvezhayushii. No esli by v vozduhe byl hotya by 1% ozona, to dyshat' etim vozduhom my by uzhe ne smogli, potomu chto ozon ves'ma toksichen.
Pochemu byl vozmozhen znamenityi dvenadcatidnevnyi opyt
Izvestno, chto prirodu goreniya Lavuaz'e otkryl posle svoego znamenitogo dvenadcatidnevnogo opyta, v kotorom on dlitel'noe vremya nagreval v zapayannoi retorte navesku rtuti, a pozzhe - obrazovavshuyusya okis' rtuti.
Rtut' - metall "polublagorodnyi". Pri umerennom nagrevanii ona, podobno obychnym metallam, soedinyaetsya s kislorodom. No pri nagrevanii vyshe 450oC okis' rtuti, podobno okislam blagorodnyh metallov, raspadaetsya na rtut' i kislorod. Kstati, rtut' - edinstvennyi iz metallov, izvestnyh v XVIII v., sposobnyi prisoedinit' kislorod ili, naoborot, otsheplyat' ego ot sebya - v zavisimosti ot izmeneniya temperatury. Vozmozhno, chto, esli by Lavuaz'e rabotal ne s rtut'yu, a s drugim veshestvom, flogistonnaya teoriya mogla by prosushestvovat' eshe neskol'ko let.
Izotopnyi sostav
Prirodnyi kislorod sostoit iz treh izotopov s. massovymi chislami 16, 17 i 18. Preobladaet samyi legkii izotop 16O: na kazhdye 3150 atomov etogo izotopa prihoditsya lish' pyat' atomov 18O i odin atom 17O. Eto ne znachit, konechno, chto tyazhelye izotopy kisloroda bespolezny.
S pomosh'yu stabil'noi "metki" - atomov tyazhelogo kisloroda 18O - udalos' vyyasnit' "proishozhdenie" kisloroda, vydelyaemogo rasteniyami v processe fotosinteza. Ran'she schitalos', chto eto kislorod, vysvobozhdaemyi iz molekul uglekislogo gaza, a ne vody.
Opyty s metkami pokazali obratnoe: rasteniya svyazyvayut kislorod uglekislogo gaza, a v atmosferu vozvrashaetsya kislorod iz vody.
Zagadka effekta dola
Govoryat, "Parizh - vsegda Parizh", kak by ni menyalsya so vremenem ego oblik. Tochno tak zhe kislorod - vsegda kislorod, nezavisimo ot togo, kakim sposobom i iz kakih istochnikov on poluchen. No v 1936 g. element N 8 zadal uchenym vsego mira ocherednuyu zagadku: amerikanskii himik Malkolm Dol obnaruzhil, chto izotopnyi sostav atmosfernogo kisloroda i kisloroda, poluchennogo pri elektrolize vody, - neodinakov. "Vodnyi" kislorod tyazhelee vozdushnogo, soderzhanie v nem tyazhelogo izotopa 18O primerno na 3% bol'she (esli za 100% schitat' kolichestvo kisloroda-18 v vode, to v kislorode vozduha ego 103%).
Kak zhe tak? Dokazano, chto atmosfernyi kislorod - produkt fotosinteza, prichem poluchaetsya on imenno iz vody, v processe degidrogenizacii. Na postroenie slozhnyh organicheskih molekul rastenie ispol'zuet uglekislyi gaz i otsheplennyi ot vody vodorod, a osvobodivshiisya kislorod uhodit v atmosferu. Otkuda zhe berutsya tri "lishnih" procenta?
Otvetit' na etot vopros pytalis' i sam Dol, i mnogie uchenye drugih stran. No okonchatel'nyi otvet tak i ne byl poluchen, a pervootkryvatel' udivitel'nogo effekta vskore voobshe ostavil problemy fotosinteza i zanyalsya polimerami.
Eshe pered voinoi issledovaniem izotopnogo sostava kislo roda raznogo proishozhdeniya zanyalis' dva sovetskih uchenyh - A.P. Vinogradov (vposledstvii akademik) i R.V. Teis. Oni vyyasnili, chto kislorod morskoi vody legche kisloroda vozduha, a tot v svoyu ochered' legche kisloroda uglekisloty. V etoi zhe rabote vpervye byla ustanovlena tozhdestvennost' vodnogo i fotosinteticheskogo kisloroda (po izotopnomu sostavu). No na vopros o treh lishnih procentah otveta ne bylo.
K issledovaniyam, prervannym Velikoi Otechestvennoi voinoi, Vinogradov i Teis vernulis' lish' v 1946...1947 gg. i, kazalos', sumeli vskore ob'yasnit' effekt Dola. Ih raschety i opyty pokazali, chto legkii izotop kisloroda 16O vstupaet v reakcii nemnogo legche, chem tyazhelyi, i potomu atmosfera postepenno obogashaetsya izotopom 18O. Trehprocentnyi izbytok sootvetstvuet tochke ravnovesiya. Glavnye sozdateli effekta Dola - vodorosli i mikroflora mirovogo okeana, kotorye, kstati, regeneriruyut bol'shuyu chast' atmosfernogo kisloroda.
Ob'yasnenie, naidennoe sovetskimi uchenymi, kazalos' naibolee pravdopodobnym. K tomu zhe ono podtverzhdalos' opytami. No spustya neskol'ko let ih sotrudnik doktor biologicheskih nauk V.M. Kutyurin pokazal, chto effekt Dola nel'zya ob'yasnit' tol'ko temi processami, o kotoryh pisali Vinogradov i Teis. Dlya togo chtoby, kak govoryat buhgaltery, svesti balans, nuzhno naiti eshe kakie-to nevedomye poka processy.
Gornaya bolezn'
Pomnite, kak volnovalis' trenery pri podgotovke k Olimpiade v Mehiko? Gazety pestreli slovami "akklimatizaciya", "usloviya vysokogor'ya" i t.d. Cheloveku, vpervye popavshemu v gory, deistvitel'no na vysote "ne hvataet vozduha". Tochnee - kisloroda. A pochemu? Ved' otnositel'naya koncentraciya etogo elementa v zemnoi atmosfere s vysotoi prakticheski ne menyaetsya. No na vysote parcial'noe davlenie kisloroda, kak i obshee davlenie, ponizheno. Prichina "gornoi bolezni" v tom, chto v razrezhennom vozduhe krov' ne uspevaet nasytit'sya kislorodom, i - nastupaet kislorodnoe golodanie. Lyudi, postoyanno zhivushie v gornyh raionah, kislorodnoi nedostatochnost'yu ot vysoty ne stradayut. Ih organizm prisposobilsya k gornym usloviyam: intensivnee protekayut processy krovoobrasheniya, organizm vyrabatyvaet bol'she gemoglobina. Tem samym nedostatochnoe parcial'noe davlenie kisloroda v vozduhe kompensiruetsya.
Iz knigi izvestnogo letchika
Pri poletah na bol'shoi vysote pilotam prihodilos' i prihoditsya pol'zovat'sya kislorodnymi apparatami. Izvestnyi letchik G.F. Baidukov upominaet ob etom v knige o perelete (vmeste s V.P. Chkalovym i A.V. Belyakovym) cherez Severnyi polyus v Ameriku: "Uspokoivshis', chto polyus ne prozevayu, ya ushel na bak, chtoby podkachat' maslo. Maslo nachalo gustet', i eto namnogo uslozhnilo operaciyu perekachki. Vypolnyaya etu fizicheskuyu proceduru na vysote 4200 m, ya pochuvstvoval uchashenie pul'sa i reshil vospol'zovat'sya kislorodom. Omolozhenie v bukval'nom smysle - vot deistvie kisloroda posle trudov pravednyh. Dyhanie stalo rovnym, pul's voshel v normu, i ya usnul".
Oshibka poetessy
V odnom iz sochinenii izvestnoi poetessy Very Inber est' takie slova: "Podobno tomu, kak kislorod i azot, soedinyayas', sostavlyayut vozduh, neobhodimyi dlya zhizni, - tochno tak zhe mysl' i chuvstvo... obrazuyut vozduh, kotorym dyshit poeziya". Ne ver'te poetesse. Vo vtorom utverzhdenii ona, vozmozhno, i prava, a vot pervoe ne vyderzhivaet nikakoi kritiki: v vozduhe kislorod ne soedinen, a smeshan s azotom i drugimi gazami. Eto i pozvolyaet razdelyat' ih chisto fizicheskimi metodami.
Priveredlivyi karp
Dzhozef Pristli, otkryvshii kislorod, schital, chto etot gaz v vode ne rastvoryaetsya. K schast'yu, eto ne tak. Inache ryby ne mogli by zhit' v vode. Harakterno, chto dlya raznyh porod ryb nuzhno raznoe kolichestvo kisloroda. Naimenee trebovatelen karas', kotoryi spokoino zhivet v zarosshih prudah, gde pochti ves' rastvorennyi v vode kislorod rashoduetsya na okislenie organicheskih veshestv. Iz prudovyh ryb samyi priveredlivyi v etom smysle - karp. Emu nuzhno, chtoby koncentraciya kisloroda v vode byla ne men'she 4 mg/l. Eshe bol'she kisloroda trebuetsya rybam, obitayushim v rekah, osobenno gornyh, naprimer foreli.
<< Azot | Oglavlenie | Ftor >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Publikacii so slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
