Жидкий кислород

Одна из физических форм элементарного кислорода.

Жидкий кислород (бледно-голубая жидкость) в стакане.

Когда жидкий кислород выливают из стакана в сильный магнит, кислород временно оказывается во взвешенном состоянии между полюсами магнита из-за его парамагнетизма.

Жидкий кислород , иногда сокращенно LOX или LOXygen , представляет собой жидкую форму молекулярного кислорода . Он использовался в качестве окислителя в первой ракете на жидком топливе, изобретенной в 1926 году Робертом Х. Годдардом ^[1] , и это применение продолжается и по сей день.

Физические свойства

Жидкий кислород имеет светлый или бледно-голубой цвет и является сильным парамагнетиком : его можно подвешивать между полюсами мощного подковообразного магнита . ^[2] Жидкий кислород имеет плотность 1,141 кг/л (1,141 г/мл), немного плотнее жидкой воды и криогенен с температурой замерзания 54,36 К (-218,79 °C; -361,82 °F) и температурой кипения. точка 90,19 К (-182,96 ° C; -297,33 ° F) при давлении 1 бар (15 фунтов на квадратный дюйм). Жидкий кислород имеет степень расширения 1:861 ^{[3] [4]} и по этой причине он используется в некоторых коммерческих и военных самолетах в качестве мобильного источника кислорода для дыхания.

Из-за своей криогенной природы жидкий кислород может привести к тому, что материалы, с которыми он соприкасается, станут чрезвычайно хрупкими. Жидкий кислород также является очень мощным окислителем: органические материалы быстро и энергично сгорают в жидком кислороде. Кроме того, при пропитке жидким кислородом некоторые материалы, такие как угольные брикеты, углеродная сажа и т. д., могут непредсказуемо взорваться от источников возгорания, таких как пламя, искры или удары от легких ударов. Нефтехимия , включая асфальт , часто демонстрирует такое поведение. ^[5]

Молекула тетракислорода (O ₄ ) была впервые предсказана в 1924 году Гилбертом Н. Льюисом , который предложил ее, чтобы объяснить, почему жидкий кислород нарушает закон Кюри . ^[6] Современные компьютерные модели показывают, что, хотя в жидком кислороде нет стабильных молекул O _{4 , молекулы O 2} имеют тенденцию объединяться в пары с антипараллельными спинами , образуя временные единицы O ₄ . ^[7]

Жидкий азот имеет более низкую температуру кипения при -196 ° C (77 К), чем кислород -183 ° C (90 К), а сосуды, содержащие жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха: когда большая часть азота испарилась из такого сосуда, существует риск того, что оставшийся жидкий кислород может бурно реагировать с органическими материалами. И наоборот, жидкий азот или жидкий воздух можно обогатить кислородом, если оставить их на открытом воздухе; В нем растворяется кислород воздуха, а азот преимущественно испаряется.

Поверхностное натяжение жидкого кислорода при температуре кипения при нормальном давлении составляет 13,2 дин/см. ^[8]

Использование

Техник ВВС США передает жидкий кислород в самолет Lockheed Martin C-130J Super Hercules на аэродроме Баграм в Афганистане.

В торговле жидкий кислород классифицируется как промышленный газ и широко используется в промышленных и медицинских целях. Жидкий кислород получают из кислорода , содержащегося в воздухе в природе , путем фракционной перегонки на криогенной установке разделения воздуха .

Военно-воздушные силы уже давно осознали стратегическую важность жидкого кислорода как в качестве окислителя, так и в качестве источника газообразного кислорода для дыхания в больницах и высотных полетах самолетов. В 1985 году ВВС США начали программу строительства собственных установок по производству кислорода на всех основных базах потребления. ^{[9] [10]}

В ракетном топливе

Шар с жидким кислородом SpaceX на мысе Канаверал

Жидкий кислород является наиболее распространенным криогенным жидким топливом-окислителем для космических ракет , обычно в сочетании с жидким водородом , керосином или метаном . ^{[11] [12]}

Жидкий кислород использовался в первой ракете на жидком топливе . Ракета Фау-2 времен Второй мировой войны также использовала жидкий кислород под названиями A-Stoff и Sauerstoff . В 1950-е годы, во время Холодной войны , американские ракеты « Редстоун » и «Атлас» , а также советская Р-7 «Семёрка» использовали жидкий кислород. Позже, в 1960-х и 1970-х годах, на взлетных ступенях ракет « Аполлон-Сатурн» и главных двигателях космических кораблей «Шаттл» использовался жидкий кислород.

В 2020 году во многих ракетах использовался жидкий кислород:

• Китайская космическая программа : «Великий марш 5» и его последствия «Великий марш 6» , «Великий марш 7»
• Индийская организация космических исследований : GSLV
• JAXA (Япония): H-IIA и H3 (в разработке)
• Роскосмос (Россия): Союз-2 и Ангара (в разработке).
• ЕКА ( ЕС ): Ariane 5 и Ariane 6 (в разработке)
• Корейский институт аэрокосмических исследований ( Южная Корея ): KSLV-1 и KSLV-II.
• Соединенные Штаты
  • SpaceX : Falcon 9 , Falcon Heavy и Starship (в разработке) (жидкий кислород, охлажденный до -207 °C (-340,6 °F; 66,1 К), плотность на 10% выше, 1250 г/л (1,25 г/мл) ^[13], чем в температура кипения)
  • United Launch Alliance : Atlas V , Delta IV , Delta IV Heavy , Vulcan (в разработке)
  • Нортроп Грумман : Антарес 230+
  • Blue Origin : Нью-Шепард и Нью-Гленн (в разработке)
  • Ракетная лаборатория : Электрон
  • Firefly Aerospace : Светлячок Альфа
  • Virgin Orbit : LauncherOne

История

• К 1845 году Майклу Фарадею удалось сжижать большинство известных на тот момент газов. Однако шесть газов сопротивлялись любой попытке сжижения ^[14] и были известны в то время как «постоянные газы». Это были кислород, водород , азот , окись углерода , метан и оксид азота .
• В 1877 году Луи Полю Кайлету во Франции и Раулю Пикте в Швейцарии удалось получить первые капли жидкого воздуха. ^{[ нужна цитата ]}
• В 1883 году польские профессора Зигмунт Врублевский и Кароль Ольшевский получили первое измеримое количество жидкого кислорода. ^{[ нужна цитата ]}

Смотрите также

• Хранение кислорода
• Промышленный газ
• Криогеника
• Жидкий водород
• Жидкий гелий
• Жидкий азот
• Список товаров
• Наттерер компрессор
• Ракетное горючие
• Твердый кислород
• Тетракислород

Рекомендации

1. «Первая ракета на жидком топливе». ИСТОРИЯ . Проверено 16 марта 2019 г.
2. Мур, Джон В.; Станицкий, Конрад Л.; Юрс, Питер К. (21 января 2009 г.). Принципы химии: молекулярная наука. Cengage Обучение. стр. 297–. ISBN 978-0-495-39079-4. Проверено 3 апреля 2011 г.
3. Криогенная безопасность. chemistry.ohio-state.edu.
4. Характеристики. Архивировано 18 февраля 2012 г. в Wayback Machine . Линдеканада.com. Проверено 22 июля 2012 г.
5. «Получение, обращение, хранение и утилизация жидкого кислорода» . Учебный фильм ВВС США.
6. Льюис, Гилберт Н. (1924). «Магнетизм кислорода и молекулы О ₂ ». Журнал Американского химического общества . 46 (9): 2027–2032. дои : 10.1021/ja01674a008.
7. Ода, Тацуки; Альфредо Паскарелло (2004). «Неколлинеарный магнетизм в жидком кислороде: исследование молекулярной динамики из первых принципов». Физический обзор B . 70 (134402): 1–19. Бибкод : 2004PhRvB..70m4402O. doi : 10.1103/PhysRevB.70.134402. hdl : 2297/3462 . S2CID  123535786.
8. JM Jurns и JW Hartwig (2011). Устройство для сбора жидкого кислорода. Испытания точки пузырька с использованием LOX под высоким давлением при повышенных температурах, с. 4.
9. Арнольд, Марк. 1США Разработка армейской системы производства кислорода. РТО-МП-ХФМ-182. dtic.mil
10. Тиммерхаус, КД (8 марта 2013 г.). Достижения в области криогенной техники: материалы конференции по криогенной технике 1957 года, Национальное бюро стандартов, Боулдер, Колорадо, 19–21 августа 1957 года. Springer Science & Business Media. стр. 150–. ISBN 978-1-4684-3105-6.
11. Беллускио, Алехандро Г. (7 марта 2014 г.). «SpaceX продвигает ракету на Марс с помощью энергии Raptor» . NASAspaceflight.com . Проверено 13 марта 2014 г.
12. Тодд, Дэвид (20 ноября 2012 г.). «Маск выступает за многоразовые ракеты, работающие на метане, как шаг к колонизации Марса». FlightGlobal Гипербола . Архивировано из оригинала 28 ноября 2012 года . Проверено 22 ноября 2012 г.«Мы собираемся использовать метан», — объявил Маск, описывая свои будущие планы по многоразовым ракетам-носителям, в том числе предназначенным для доставки астронавтов на Марс в течение 15 лет. «Энергетическая стоимость метана самая низкая, и он имеет небольшой Isp (удельный Импульс) превосходит керосин, — сказал Маск, — и у него нет такой боли в заднице, как у водорода». ... Первоначальный план SpaceX будет заключаться в создании ракеты на локс-метане для будущей верхней ступени под кодовым названием Raptor. ... Новый двигатель верхней ступени Raptor, вероятно, будет лишь первым двигателем в серии лох-метановых двигателей.
13. «Кислород - плотность и удельный вес» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 19 мая 2021 г.
14. Криогеника. Scienceclarified.com. Проверено 22 июля 2012 г.