Рідкий кисень

Рідкий кисень — рідина блідо-синього кольору, сильний парамагнетик. Є одним з чотирьох агрегатних станів кисню. Має густину 1,141 г/см³ і має помірно кріогенні властивості з точкою замерзання 50,5°K (-222,65°С) і точкою кипіння 90,188°K (-182,96°С). Через свою кріогенну природу може викликати крихкість матеріалів, які перебувають з ним у контакті.

Історія

У 1845 році Майкл Фарадей зміг здійснити зріджування більшості відомих тоді газів. Шість газів, однак, попри всі його спроби зрідженню не піддавалися, а саме кисень, водень, азот, окис вуглецю, метан і окис азоту.
У 1877 році Луї-Поль Кайете́ (1832−1913) у Франції і Рауль Пікте́ (1846−1929) у Швейцарії незалежно один від одного різними методами отримали кілька крапель рідкого кисню.
Вперше у вимірних кількостях рідкий кисень отримали польські професори Краківського університету Зигмунт Врублевський і Кароль Ольшевський в 1883 році.

Використання

Рідкий кисень активно використовують у космічній і газовій галузях, при експлуатації підводних човнів, в медицині. Промислове виробництво найчастіше виконується шляхом фракційної перегонки зрідженого повітря з розділенням на кисень і азот. Коефіцієнт розширення при зміні агрегатного стану на газоподібне становить 860:1 при 20 °C, що іноді використовують у системах постачання киснем для дихання в комерційних і військових літаках.

Рідкий кисень є потужним окислювальним агентом: органічні речовини згоряють в його середовищі з великим виділенням тепла. Деякі з речовин, в тому числі нафтопродукти та асфальт, будучи просоченими рідким киснем, можуть непередбачувано вибухати.

Рідкий кисень є широко поширеним компонентом ракетних палив, зазвичай в комбінації з рідким воднем або гасом. Перше використання в ракетному паливі було в німецькій балістичній ракеті Фау-2, пізніше — в американських «Редстоун» і «Атлас», а також в радянській МБР Р-7. Як ущільнювальні прокладки в системах з рідким киснем застосовують матеріали, не втрачають еластичності при низьких температурах: пароніт, фторопласт, відпалені мідь і алюміній.

Зберігання і транспортування великих кількостей рідкого кисню здійснюється в ємностях об'ємом від декількох десятків до 1500 м³ з нержавкої сталі, забезпечених теплоізоляцією. Зовнішній, захисний кожух теплоізоляції може виконуватися і з вуглецевої сталі. Резервуари транспортних ємностей виготовляються також зі сплаву АМЦ. Застосування вакуумно-порошкової або екранно-вакуумної теплоізоляції дозволяє знизити добові втрати киплячого продукту до рівня 0,1−0,5 % (залежно від розмірів ємності) і швидкість підвищення температури переохолодженого рідкого кисню до 0,4−0,5 К на добу. Транспортування киплячого кисню виконується з відкритим вентилем газоскиду, а переохолодженого — при закритому вентилі, з контролем тиску не рідше 2 разів на добу; при підвищенні тиску більше, ніж на 0,02 МПа вентиль відкривається.

Рідкий кисень також активно використовували при виготовленні вибухівки оксиліквіт, але зараз її майже не використовують через велику кількість інцидентів і нещасних випадків.

Для пояснення відхилення парамагнетичних властивостей рідкого кисню від закону Кюрі американський фізикохімік Г. Льюїс 1924 року запропонував молекулу тетракисню (англ. tetraoxygen) (O₄)^[1]. На сьогодні теорія Льюїса вважається лише частково вірною: комп'ютерне моделювання показує, що хоча в рідкому кисні не утворюється стабільних молекул O₄, молекули O₂ насправді мають тенденцію асоціювати в пари з протилежними спинами, які формують тимчасові об'єднання O₂-O₂.

Завдяки тому, що рідкий азот має нижчу точку кипіння 77 K (-196 °С), пристрої, які містять рідкий азот можуть конденсувати рідкий кисень з повітря. Коли більша частина азоту випаровується з такого пристрою, виникає ризик того, що залишок рідкого кисню може сильно прореагувати з органічними матеріалами. З іншого боку, рідкий азот або рідке повітря може виявитися насиченим рідким киснем, якщо залишити ємність на відкритому повітрі — атмосферний кисень буде в ній розчинятися, в той час, як азот буде випаровуватися.

Заходи безпеки при роботі з рідким киснем

1. Кисень — не токсичний продукт, але при роботі з ним слід використовувати захисні засоби, що оберігають від можливого обмороження: влітку — бавовняний комбінезон, рукавиці, шкіряні чоботи, окуляри; взимку — валянки, підшиті шкірою, теплі рукавиці, окуляри.

2. Кисень — дуже пожежонебезпечний і навіть вибухонебезпечний продукт в контакті з органічними речовинами при наявності навіть невеликого теплового імпульсу. Різке стиснення органічного матеріалу, просоченого рідким киснем (наприклад, при падінні), або контакт кисню з мастилами може викликати вибух. Зварювальні та ремонтні роботи в ємностях і приміщеннях, де зберігається рідкий кисень, повинні проводитися тільки після двох — тригодинного провітрювання теплим повітрям (70–80 °С).

3. Перед заливанням кисню в нову ємність остання має бути знежиреною.

4. При перекачуванні рідкого кисню виконується попереднє «захолодження» системи малою кількістю продукту. Без цього в «гарячій» системі можуть утворитись інтенсивні потоки парів кисню і як наслідок — загоряння металу.