ПМ-19 хімія 15.11.21

15.11.2021

Лекція  (2 год.)

Тема 2.3. Кисень. Озон. Сполуки кисню. Властивості.

Опрацювати: матеріал лекції.

Виконати (письмово):

1. Конспект лекції

2. Для самостійного вивчення:

Тема 2.4. Розповсюдження кисню у природі, застосування.

 

Зварюванням називається процес отримання нероз'ємних сполук за рахунок сил взаємодії атомів.

Численні методи зварювання поділяються на дві групи:

1) зварювання плавленням (зварювання в рідкій фазі);

2) зварювання тиском (зварювання у твердій фазі).

При зварюванні плавленням рідкий метал частин, що з'єднуються, мимоволі зливається в одне ціле, утворюючи після охолодження і затвердіння зварне з'єднання.

Зварювання тиском проводиться без нагрівання або з нагріванням металу до пластичного стану з подальшим стисненням частин, що з'єднуються.

 

Зварювання в даний час є одним із основних технологічних процесів у всіх галузях промисловості. Без зварювання неможливе виробництво сучасних машин. У практиці ремонтної справи зварюванню належить вагоме місце. Найширше застосування в промисловості та практиці ремонту машин має зварювання плавленням: газове та електродугове.

 

При газовому зварюванні для нагрівання металу до плавлення або пластичного стану використовується тепло, яке отримують в результаті згоряння пального газу в суміші з киснем.

Для здійснення газового зварювання та різання необхідно мати горючий газ, кисень, присадний матеріал, флюси.

Як горючі гази при газовому зварюванні і різанні використовуються ацетилен, водень, природний газ, пари бензину і гасу і т. п. Широке застосування в газовому зварюванні отримав газ ацетилен. Він має температуру зварювального полум'я 3000-3150 °С і застосовується для зварювання сталі, чавуну та кольорових металів.

Водень, природний газ, пари бензину і гасу не придатні для звичайного зварювання сталі внаслідок недостатньої температури зварювального полум'я (1900— 2300°С), тому їх застосовують при зварюванні металів, що мають температуру плавлення нижче, ніж у сталі, для різки металів (у тому числі і сталі). Газ пропан можна застосовувати для зварювання сталі завтовшки 5-6 мм.

Присадковий матеріал необхідний для заповнення металом рідкої ванни, що утворилася при зварюванні. Зазвичай як присадковий матеріал використовується дріт діаметром від 1 до 6 мм з хімічним складом, близьким до складу металу, що зварюється. Поверхня дроту має бути чистою, без окалини, іржі, олії та інших забруднень. Якщо немає відповідного дроту, то для зварювання кольорових металів можна застосовувати смужки, нарізані з листового металу тієї ж марки, що і метал, що зварюється.

Флюсами користуються для захисту розплавленого металу від окислення і видалення оксидів, що утворилися в зварювальному шві. Склад флюсу вибирають в залежності від складу і властивостей металу, що зварюється. Флюс повинен плавитися раніше за метал, добре розтікатися по шву і не надавати шкідливого впливу на метал шва.

При зварюванні звичайної вуглецевої сталі флюси не застосовують, тому що зварювальне полум'я добре захищає розплавлений метал від окислення.

Флюс можна використати для легування шва.

 

Оксиген (O)  є найпоширенішим елементом Землі. У повітрі міститься майже 21% кисню за об᾽ємом. Величезну кількість Оксигену (майже 90% за масою з урахуванням розчинених у воді солей) містить гідросфера Землі. У земній корі міститься 47,2% Оксигену (за масою). Відомо більше 1400 мінералів, до складу яких входить Оксиген. Це один з основних елементів-органогенів, входить до складу більшості органічних сполук; становить50-85% маси тканин рослин і тварин.

Це другий (після Флуору) за електронегативністю елемент (3,5).

Утворює дві прості речовини (алотропні модифікації): кисень (O₂) і озон (О₃).

 

Кисень (O₂).

Фізичні властивості. Газоподібний кисень безбарвний, прозорий, не має запаху та смаку, погано розчиняється у воді, зріджується за температури

-183°С (блакитна рідина), твердне за температури -219°С (кристали синього кольору),  негорючий, але здатний активно підтримувати процес горіння.

Молекулярна маса: 32, трохи важчий за повітря.

Маса 1 м ³ рідкого кисню при -183 ° С та 0,1 МПа: 1 140 кг

Кількість газоподібного кисню, що виходить з 1 м ³ рідкого кисню при 0 ° С та 0,1 МПа: 860 м ³

 

Хімічні властивості. Кисень має високу хімічну активність і здатний утворювати хімічні сполуки (оксиди) з усіма елементами, крім інертних газів і благородних металів. Швидкість реакції окиснення зростає у разі підвищення температури або застосування каталізаторів. 

                                t^o

3Fe + 2O₂ =  Fe₃O₄ (залізна окалина, в атмосфері кисню)

                                t^o

4Fe + 3O₂ =  2Fe₂O₃ (на повітрі)

К + O₂ =  КO₂ (К₂О₄, калій надпероксид)

2Na + O₂ =  Na₂O₂ (натрій пероксид)

                              t^o

2Cu + O₂ =  2CuO   або    4Cu + O₂ =  2Cu₂O

                               t^o

2Мg + O₂ =  2МgO

                               t^o

4Al + 3O₂ =  2Al₂O₃

Газове зварювання міді, алюмінію, магнію та їх сплавів супроводжується активним утворенням оксидів на поверхні металів, що зварюються, під впливом кисню, що міститься в повітрі. Тугоплавкі оксиди значно ускладнюють зварювальний процес.

З метою захисту металів від окислення при зварюванні використовують флюси для газового зварювання, які є спеціальними зварювальними порошками або пастами. Як флюс використовують борну кислоту і прожарену буру. Їх наносять на кромки металу, що зварюється, на зварювальний дріт і прутки. При температурі зварювання легкоплавкі флюси утворюють шлаки, що спливають на поверхню розплавленого металу і запобігають його окисленню:

                           t^o

Na₂B₄O₇ = 2NaBO₂ + B₂O₃

   бура                  натрій метаборат    борний ангідрид

 

2NaBO₂ + B₂O₃ + CuO = Na(BO₂)₂ • Cu(BO₂)₂

 

Реакції окислення органічних речовин у кисні протікають із виділенням великої кількості теплової енергії. Підвищення тиску та температури кисню в зоні реакції значно прискорює її перебіг.

Згоряння горючих газів та парів горючих рідин у чистому кисні відбувається дуже енергійно з великою швидкістю, а у зоні горіння виникає висока температура, необхідна для швидкого розплавлення металу в місці зварювання:

2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О

При контакті стиснутого газоподібного кисню з органічними речовинами (плівкою масел або жирів, вугільним пилом) може відбуватися їх самозаймання, тому при використанні кисню необхідно стежити за тим, щоб він не знаходився в контакті з легкозаймистими горючими речовинами, здатними горіти в кисні.

У процесі експлуатації необхідно виключити можливість потрапляння та накопичення олій та жирів на поверхні деталей, що працюють у середовищі кисню. При роботі з кисневими балонами та апаратурою необхідно ретельно стежити за тим, щоб на них не падали навіть незначні сліди олії та жирів.

Горючі гази і пари утворюють з киснем вибухові суміші, що мають широкі межі вибуховості при займанні. Вибухова хвиля у таких сумішах поширюється з високою швидкістю (3000 м/с і більше).

Суміш двох об᾽ємів водню і одного об᾽єму кисню надзвичайно вибухонебезпечна, її називають гримучим газом, або гримучою сумішшю.

Зазначені властивості кисню слід завжди враховувати при його використанні в процесах газополум'яної обробки, транспортування та зберігання.

 

Добування.

Лабораторні способи:

1) термічне розкладання деяких речовин:

                          МnO₂

2КСlО₃ ==== 2КСl + 3О₂ ↑

2КМnО₄ = К₂МnО₄ + МnО₂ + О₂ ↑

2) електроліз води (практично використовують розчин лугу):

2Н₂О = 2Н₂ ↑ + О₂ ↑

Промислові способи:

1) електроліз води.

Електроліз води, розкладання її на складові (водень, кисень) під дією електричного струму, здійснюють в електролізерах. Через воду, до якої для підвищення електричної провідності додають їдкий натр - гідроксид натрію NaOH, пропускають постійний струм; кисень збирається на аноді, а водень - на катоді. Недоліком способу є велика витрата електроенергії; його застосування раціонально при одночасному використанні обох газів.

2) кріогенна ректифікація повітря.

В установках для отримання кисню та азоту повітря піддається очищенню від домішок, стиску в компресорі до відповідного тиску (0,6...20 МПа), охолодженню в теплообмінниках. Після глибокого охолодження повітря

(до -200 ^оС) спочатку за температури -196 ^оС з рідини починає википати азот, а потім (за температури -183 ^оС) – кисень. Гази (окремо) збирають, після декількох повторних процедур отримують доволі чисті кінцеві продукти. На великих повітряноподільних установках разом з отриманням кисню або азоту з повітря витягують також інертні гази: аргон, криптон, ксенон, неоно-гелієву суміш, що мають широке застосування в техніці.

Технічний кисень є основою для здійснення процесів газового зварювання, кисневого різання, поверхневого загартування та інших процесів газополум'яної обробки.

Рідкий кисень зберігають і перевозять у спеціальних балонах (блакитного кольору) із гарною теплоізоляцією. Для зварювання випускають технічний кисень трьох сортів: вищого, чистотою не нижче 99.5%,  першого сорту - чистотою 99.2%,  другого сорту - чистотою 98.5% за об᾽ємом.

 

Значення кисню в природі та його застосування. За участі кисню відбувається дихання – один з найважливіших процесів життєдіяльності аеробних мікроорганізмів, рослин, тварин і людини. Кисень повітря необхідний для спалювання різноманітних паливних матеріалів в енергетиці, транспорті.

Кисень використовують в металургії при виплавлянні чавуну і сталі, окисненні сульфідних руд. Разом з ацетиленом його застосовують у техніці для зварювання та різання металів.

Кисень використовують для створення дихальних сумішей, які застосовують в автономних дихальних приладах (аквалангах і т.ін.) при підземних і підводних роботах, у космосі, у медицині з лікувальною метою для підтримки життя хворих з проблемами дихання (барокамери, кисневі подушки, кисневі коктейлі).

 

Озон (О₃) – це ще одна алотропна модифікація Оксигену, М=48 г/моль. Це газ зі своєрідним, різкуватим «металічним» запахом, дуже отруйний.

Близько 90% природного озону міститься в стратосфері на висоті 12-50 км (максимальна густина – на висоті 20-25 км), утворюючи озоновий шар. Іще 10% атмосферного озону містить тропосфера – нижній шар атмосфери. Унаслідок токсичної дії має негативний вплив на живі об᾽єкти. Окисник сильніший, ніж кисень, не окиснює лише золота, платини та іридію.

Це нестійка речовина. При її розкладанні утворюється атомарний Оксиген, що зумовлює високу окиснювальну активність озону. З деякими металами озон утворює озоніди:

К + O₃ =  КO₃

Одержують з кисню (чи повітря) за допомогою озонатора під дією «тихих» (без іскри) електричних розрядів:

3О₂ = 2О₃

Застосування:

1) знезараження повітря, питної води (продукти озонування менш шкідливі, ніж продукти хлорування), стічних вод хімічних підприємств (перш за все у випадку фенольних і ціанідних забруднень);

2) дезінфекція приміщень, одягу, стерилізація перев᾽язувального матеріалу в медицині;

3) відбілювання паперу;

4) отримання різноманітних речовин у хімічній промисловості і в лабораторії (камфори, ваніліну, моно- і дикарбонових кислот).

 

Озонові діри. З 1967 року вчені всього світу почали порушувати питання про зменшення озонового шару. А вже в середині 80-х років минулого століття антарктична служба Британії офіційно зафіксувала зміну насиченості озону над територією бази практично на 40%. Слідом за британськими вченими, дослідниками в Арктиці також була виявлена озонова діра, але значно менша, витік озону склав приблизно 9%.

Спочатку причини утворення озонових дір вчені пов’язували лише з викидами в атмосферу реактивними двигунами та авіалайнерами продуктів згоряння. Однак подальші дослідження показали, що причини та проблеми виникнення озонових дір — забруднення людиною природного середовища. Викиди, вироблені заводами та фабриками, фреон, різні аерозольні балони значною мірою руйнують шар озону.

Утворення озонових дір

Яка причина та наслідки виникнення озонових дір? У стратосфері озон поглинає сонячну ультрафіолетову радіацію. Порушення шару озону збільшує радіаційний потік, що згубно не тільки для здоров’я людей, а й для тварин та рослин.

Під впливом хлору та його сполук відбувається руйнування озону. Наприклад, фреон руйнується сонячною радіацією та звільняє хлор, який відриває третій атом від молекули озону. Хлор не вступає в з’єднання, але є каталізатором. В результаті один тільки атом хлору пошкоджує багато озону. Однак основним руйнівником озону визнаний хлорофлюорокарбон, який вступаючи в реакцію, відриває від озону 2 атоми кисню, порушуючи озоновий шар.

Технічний прогрес та озонові діри тісно взаємопов’язані. Наприклад, у двигунах реактивних літаків утворюються оксиди азоту, викид яких зростає зі збільшенням потужності турбореактивного двигуна.

Відновлення озонового шару

Світова спільнота визнала, що однією з глобальних проблем є озонова діра. Причини — це антропогенний фактор та природні процеси, які забруднюють атмосферу. Монреальський протокол, підписаний у 1987 році, надав перелік хлорфторвуглеців, заборонених до використання у виробництві.

Останні дослідження показали, що карта озонових дір повністю повторює карту родовищ метану. На підставі цього з’явилася нова теорія — діри були завжди..
Припинення виробництва речовин, що руйнують озон, принесло успіх. На сьогодні найбільша діра над Антарктидою значно зменшилася. Для запобігання подальшого руйнування та відновлення озонового шару необхідно:

·        удосконалення очисних конструкцій на димовідвідних трубах;

·        повний перехід на застосування органічних добрив;

·        створення екологічно безпечних транспортних засобів.
За прогнозами вчених до 2070 року проблема може бути вирішена.