Жидкий кислород
Жидкий кислород , иногда сокращенно LOX или LOXygen , представляет собой прозрачную светло-голубую жидкую форму дикислорода. О 2 . Он использовался в качестве окислителя в первой ракете на жидком топливе, изобретенной в 1926 году Робертом Годдардом . [1] приложение, которое продолжается и по настоящее время.
Физические свойства
[ редактировать ]Жидкий кислород имеет ясный светло-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 90,19. K (-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 горят 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 воспламенения, 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] нет стабильных молекул O 4 Современное компьютерное моделирование показывает, что, хотя в жидком кислороде , молекулы O 2 имеют тенденцию объединяться в пары с антипараллельными спинами , образуя временные O 4 . единицы [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
[ редактировать ]
В торговле жидкий кислород классифицируется как промышленный газ и широко используется в промышленных и медицинских целях. Жидкий кислород получают из кислорода , который естественным образом содержится в воздухе, путем фракционной перегонки на криогенной установке разделения воздуха .
Военно-воздушные силы 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
[ редактировать ]
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 времен Второй мировой войны Фау-2 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.
По состоянию на 2024 год во многих активных ракетах используется жидкий кислород:
- Китайская космическая программа : 5 Великого марта , 6 Великого марта , 7 Великого марта , 8 Великого марта.
- Европейское космическое агентство : Ариан 6 (в разработке)
- Индийская организация космических исследований : GSLV
- ДЖАКСА (Япония): H-IIA , H3
- Корейский институт аэрокосмических исследований : Наро-1 , Нури
- Roscosmos (Russia): Soyuz-2 , Angara
- Соединенные Штаты
История
[ редактировать ]- К 1845 году Майклу Фарадею удалось сжижать большинство известных на тот момент газов. Однако шесть газов сопротивлялись любой попытке сжижения. [13] 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 ссылка ]
- В 1883 году польские профессора Зигмунт Врублевский и Кароль Ольшевский получили первое измеримое количество жидкого кислорода. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Первая ракета на жидком топливе» . ИСТОРИЯ . Проверено 16 марта 2019 г.
- ^ 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.
- ^ Криогенная безопасность . chemistry.ohio-state.edu.
- ^ Характеристики . Архивировано 18 февраля 2012 г. в Wayback Machine . Линдеканада.com. Проверено 22 июля 2012 г.
- ^ «Прием, обращение, хранение и утилизация жидкого кислорода» . Учебный фильм ВВС США.
- ^ Льюис, Гилберт Н. (1924). «Магнетизм кислорода и молекулы О 2 ». Журнал Американского химического общества . 46 (9): 2027–2032. дои : 10.1021/ja01674a008 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevB.70.134402 . hdl : 2297/3462 . S2CID 123535786 .
- ^ 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.
- ^ Арнольд, Марк. 1США Разработка армейской системы производства кислорода . РТО-МП-ХФМ-182. dtic.mil
- ^ Тиммерхаус, К.Д. (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 .
- ^ Беллускио, Алехандро Г. (7 марта 2014 г.). «SpaceX продвигает ракету на Марс с помощью энергии Raptor» . NASAspaceflight.com . Проверено 13 марта 2014 г.
- ^ 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», — заявил 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.
- ^ Криогеника . Scienceclarified.com. Проверено 22 июля 2012 г.