Жидкий кислород

Жидкий кислород , иногда сокращенно LOX или LOXygen , представляет собой прозрачную голубую жидкую форму дикислорода O ₂ . Он использовался в качестве окислителя в первой жидкотопливной ракете, изобретенной в 1926 году Робертом Х. Годдардом ^[1] , и это применение продолжается и по сей день.

Физические свойства

Жидкий кислород имеет чистый голубой цвет и является сильным парамагнитом : его можно подвесить между полюсами мощного подковообразного магнита . ^[2] Жидкий кислород имеет плотность 1,141 кг/л (1,141 г/мл), немного плотнее жидкой воды, и является криогенным с точкой замерзания 54,36 К (−218,79 °C; −361,82 °F) и точкой кипения 90,19 К (−182,96 °C; −297,33 °F) при 1 бар (15 фунтов на кв. дюйм). Жидкий кислород имеет коэффициент расширения 1:861 ^[3]^[4] и из-за этого он используется в некоторых коммерческих и военных самолетах в качестве переносного источника кислорода для дыхания.

Из-за своей криогенной природы жидкий кислород может сделать материалы, с которыми он соприкасается, чрезвычайно хрупкими. Жидкий кислород также является очень мощным окислителем: органические материалы будут быстро и энергично гореть в жидком кислороде. Кроме того, если их пропитать жидким кислородом , некоторые материалы, такие как угольные брикеты, сажа и т. д., могут непредсказуемо детонировать от источников возгорания, таких как пламя, искры или удары от легких ударов. Нефтехимические продукты , включая асфальт , часто демонстрируют такое поведение. ^[5]

Молекула тетракислорода (O ₄ ) была впервые предсказана в 1924 году Гилбертом Н. Льюисом , который предложил ее для объяснения того, почему жидкий кислород не подчиняется закону Кюри . ^[6] Современные компьютерные моделирования 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 -196 °C (77 K), чем кислород -183 °C (90 K), и сосуды, содержащие жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха: когда большая часть азота испарится из такого сосуда, есть риск, что оставшийся жидкий кислород может бурно реагировать с органическим материалом. И наоборот, жидкий азот или жидкий воздух можно обогатить кислородом, оставив их на открытом воздухе; атмосферный кислород растворяется в нем, в то время как азот преимущественно испаряется.

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

Использует

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

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

В ракетном топливе

Жидкий кислород является наиболее распространённым криогенным жидким окислителем для ракетно-космических аппаратов , обычно в сочетании с жидким водородом , керосином или метаном . ^[11]^[12]

Жидкий кислород использовался в первой ракете на жидком топливе . Ракета V-2 времен Второй мировой войны также использовала жидкий кислород под названием A-Stoff и Sauerstoff . В 1950-х годах, во время холодной войны, жидкий кислород использовали и американские ракеты Redstone и Atlas , и советская ракета R-7 Semyorka . Позже, в 1960-х и 1970-х годах, жидкий кислород использовали ступени взлета ракет Apollo Saturn и главные двигатели Space Shuttle .

По состоянию на 2024 год многие действующие ракеты будут использовать жидкий кислород:

Китайская космическая программа : Великий поход-5 , Великий поход-6 , Великий поход-7 , Великий поход-8
Европейское космическое агентство : Ariane 6
Индийская организация космических исследований : GSLV
JAXA (Япония): H-IIA , H3
Корейский институт аэрокосмических исследований : Наро-1 , Нури
Роскосмос (Россия): Союз-2 , Ангара.
Соединенные Штаты
- Blue Origin : New Shepard , New Glenn (в разработке)
- Firefly Aerospace : Firefly Alpha
- NASA : Космическая система запуска
- Northrop Grumman : Антарес
- Ракетная лаборатория : Электрон
- SpaceX : Falcon 9 , Falcon Heavy , Starship
- United Launch Alliance : Atlas V , Vulcan

История

К 1845 году Майклу Фарадею удалось сжижить большинство известных тогда газов. Однако шесть газов сопротивлялись любой попытке сжижения ^[13] и были известны в то время как «постоянные газы». Это были кислород, водород , азот , оксид углерода , метан и оксид азота .
В 1877 году Луи Поль Кайете во Франции и Рауль Пикте в Швейцарии сумели получить первые капли жидкого воздуха. ^{[ необходима цитата ]}
В 1883 году польские профессора Зигмунт Врублевский и Кароль Ольшевский получили первое измеримое количество жидкого кислорода. ^[14]

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме Жидкий кислород .

Ссылки

^ "Первая ракета на жидком топливе". ИСТОРИЯ . Получено 2019-03-16 .
^ Мур, Джон В.; Станицкий, Конрад Л.; Юрс, Питер К. (21 января 2009 г.). Принципы химии: молекулярная наука. Cengage Learning. стр. 297–. ISBN 978-0-495-39079-4. Получено 3 апреля 2011 г.
^ Криогенная безопасность. chemistry.ohio-state.edu.
^ Характеристики. Архивировано 18.02.2012 на Wayback Machine . Lindecanada.com. Получено 22.07.2012.
^ «Приемка, обращение, хранение и утилизация жидкого кислорода». Учебный фильм ВВС США.
^ Льюис, Гилберт Н. (1924). «Магнетизм кислорода и молекула O ₂ ». Журнал Американского химического общества . 46 (9): 2027–2032. doi :10.1021/ja01674a008.
^ Ода, Тацуки; Альфредо Паскарелло (2004). «Неколлинеарный магнетизм в жидком кислороде: исследование молекулярной динамики из первых принципов». Physical Review B. 70 ( 134402): 1–19. Bibcode : 2004PhRvB..70m4402O. doi : 10.1103/PhysRevB.70.134402. hdl : 2297/3462 . S2CID 123535786.
^ J. M. Jurns и J. W. Hartwig (2011). Испытания точки пузырька устройства для сбора жидкого кислорода с высоким давлением LOX при повышенных температурах, стр. 4.
^ Арнольд, Марк. 1Разработка системы генерации кислорода для армии США. RTO-MP-HFM-182. dtic.mil
^ Тиммерхаус, К. Д. (8 марта 2013 г.). Достижения в криогенной технике: Труды конференции по криогенной технике 1957 г., Национальное бюро стандартов, Боулдер, Колорадо, 19–21 августа 1957 г. Springer Science & Business Media. стр. 150–. ISBN 978-1-4684-3105-6.
^ Беллусио, Алехандро Г. (7 марта 2014 г.). «SpaceX продвигает двигатель для ракеты Mars с помощью двигателя Raptor». NASAspaceflight.com . Получено 13 марта 2014 г.
^ Тодд, Дэвид (20 ноября 2012 г.). «Маск делает ставку на многоразовые ракеты, работающие на метане, в качестве шага к колонизации Марса». FlightGlobal Hyperbola . Архивировано из оригинала 28 ноября 2012 г. Получено 22 ноября 2012 г.«Мы собираемся использовать метан», — объявил Маск, описывая свои будущие планы по многоразовым ракетам-носителям, включая те, которые будут доставлять астронавтов на Марс в течение 15 лет. «Стоимость энергии у метана самая низкая, и у него есть небольшое преимущество по удельному импульсу (Isp) перед керосином», — сказал Маск, добавив, — «и у него нет такого фактора головной боли, как у водорода». ... Первоначальный план SpaceX будет заключаться в создании ракеты на жидком кислороде/метане для будущей верхней ступени под кодовым названием Raptor. ... Новый двигатель верхней ступени Raptor, вероятно, станет лишь первым двигателем в серии двигателей на жидком кислороде/метане.
^ Криогеника. Scienceclarified.com. Получено 22 июля 2012 г.
^ Куббинга, Хенк (2010), «Дань уважения Врублевскому и Ольшевскому» (PDF) , Europhysics News , 41 (4): 21–24, doi :10.1051/epn/2010402, архивировано из оригинала 11 августа 2017 г.