Die wichtigste industrielle Methode zur Herstellung von Sauerstoff ist. Bei der Zersetzung von Peroxiden. Giftige Sauerstoffderivate

Frage Nr. 2 Wie wird Sauerstoff im Labor und in der Industrie gewonnen? Schreiben Sie die Gleichungen für die entsprechenden Reaktionen. Wie unterscheiden sich diese Methoden voneinander?

Antwort:

Im Labor kann Sauerstoff auf folgende Weise gewonnen werden:

1) Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines Katalysators (Manganoxid).

2) Zersetzung von Berthollet-Salz (Kaliumchlorat):

3) Zersetzung von Kaliumpermanganat:

In der Industrie wird Sauerstoff aus Luft gewonnen, die etwa 20 Vol.-% enthält. Unter Druck und extremer Abkühlung wird Luft verflüssigt. Sauerstoff und Stickstoff (der zweite Hauptbestandteil der Luft) haben unterschiedliche Siedepunkte. Daher können sie durch Destillation getrennt werden: Stickstoff hat einen niedrigeren Siedepunkt als Sauerstoff, sodass Stickstoff vor Sauerstoff verdampft.

Unterschiede zwischen industriellen und Labormethoden zur Sauerstofferzeugung:

1) Alle Labormethoden zur Herstellung von Sauerstoff sind chemischer Natur, das heißt, es erfolgt die Umwandlung einiger Stoffe in andere. Die Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft ist ein physikalischer Vorgang, da die Umwandlung einiger Stoffe in andere nicht stattfindet.

2) Sauerstoff kann in viel größeren Mengen aus Luft gewonnen werden.

Die Entdeckung des Sauerstoffs markierte eine neue Periode in der Entwicklung der Chemie. Es ist seit der Antike bekannt, dass für die Verbrennung Luft erforderlich ist. Der Verbrennungsprozess von Stoffen blieb lange Zeit unklar. Im Zeitalter der Alchemie verbreitete sich die Theorie des Phlogistons, wonach Stoffe durch Wechselwirkung mit feuriger Materie, also mit Phlogiston, das in der Flamme enthalten ist, brennen.

Sauerstoff wurde in den 70er Jahren des 18. Jahrhunderts vom englischen Chemiker Joseph Priestley gewonnen. Ein Chemiker erhitzte rotes Quecksilber(II)-oxid-Pulver, wodurch sich die Substanz zersetzte und metallisches Quecksilber und ein farbloses Gas entstand:

2HgO t° → 2Hg + O2

Oxide– binäre Verbindungen, die Sauerstoff enthalten

Wenn ein glimmender Splitter in ein Gefäß mit Gas eingeführt wurde, flammte er hell auf. Der Wissenschaftler glaubte, dass der schwelende Splitter Phlogiston in das Gas einbrachte und es sich entzündete.

D. Priestley Ich versuchte, das entstehende Gas einzuatmen und war begeistert, wie einfach und frei das Atmen war. Damals konnte sich der Wissenschaftler nicht einmal vorstellen, dass das Vergnügen, dieses Gas zu atmen, allen Menschen bereitet würde.

D. Priestley teilte die Ergebnisse seiner Experimente mit dem französischen Chemiker Antoine Laurent Lavoisier. Da A. Lavoisier zu dieser Zeit über ein gut ausgestattetes Labor verfügte, wiederholte und verbesserte er die Experimente von D. Priestley.

A. Lavoisier hat die Gasmenge gemessen, die bei der Zersetzung einer bestimmten Masse Quecksilberoxid freigesetzt wird. Anschließend erhitzte der Chemiker metallisches Quecksilber in einem verschlossenen Gefäß, bis es zu Quecksilber(II)-oxid wurde. Er entdeckte, dass die im ersten Experiment freigesetzte Gasmenge der im zweiten Experiment absorbierten Gasmenge entsprach. Daher reagiert Quecksilber mit bestimmten Stoffen in der Luft. Und derselbe Stoff wird bei der Zersetzung des Oxids freigesetzt. Lavoisier kam als erster zu dem Schluss, dass Phlogiston absolut nichts damit zu tun hatte und das Verbrennen eines glimmenden Splitters durch ein unbekanntes Gas verursacht wurde, das später Sauerstoff genannt wurde. Die Entdeckung des Sauerstoffs markierte den Zusammenbruch der Phlogiston-Theorie!

Methoden zur Herstellung und Sammlung von Sauerstoff im Labor

Labormethoden zur Herstellung von Sauerstoff sind sehr vielfältig. Es gibt viele Stoffe, aus denen Sauerstoff gewonnen werden kann. Schauen wir uns die gängigsten Methoden an.

1) Zersetzung von Quecksilber(II)-oxid

Eine Möglichkeit, Sauerstoff im Labor zu gewinnen, besteht darin, ihn mithilfe der oben beschriebenen Oxidzersetzungsreaktion zu gewinnen Quecksilber(II). Aufgrund der hohen Toxizität von Quecksilberverbindungen und Quecksilberdampf selbst wird diese Methode äußerst selten angewendet.

2) Zersetzung von Kaliumpermanganat

Kaliumpermanganat(im Alltag nennen wir es Kaliumpermanganat) ist eine kristalline Substanz von dunkelvioletter Farbe. Beim Erhitzen von Kaliumpermanganat wird Sauerstoff freigesetzt.

Geben Sie etwas Kaliumpermanganat-Pulver in das Reagenzglas und befestigen Sie es horizontal im Stativbein. Legen Sie ein Stück Watte in die Nähe des Lochs des Reagenzglases. Wir verschließen das Reagenzglas mit einem Stopfen, in den ein Gasauslassrohr eingeführt wird, dessen Ende in das Aufnahmegefäß abgesenkt wird. Das Gasauslassrohr muss bis zum Boden des Aufnahmegefäßes reichen.

Um zu verhindern, dass Kaliumpermanganatpartikel in das Auffanggefäß gelangen, wird ein Wattebausch in der Nähe der Öffnung des Reagenzglases benötigt (bei der Zersetzung werden die Permanganatpartikel durch den freigesetzten Sauerstoff mitgerissen).

Wenn das Gerät zusammengebaut ist, beginnen wir mit dem Erhitzen des Reagenzglases. Die Freisetzung von Sauerstoff beginnt.

Reaktionsgleichung für die Zersetzung von Kaliumpermanganat:

2KMnO4 t° → K2MnO4 + MnO2 + O2

Wie erkennt man das Vorhandensein von Sauerstoff? Lassen Sie uns die Methode von Priestley verwenden. Zünden wir einen Holzsplitter an, lassen ihn ein wenig brennen und löschen ihn dann so, dass er kaum noch glimmt. Lassen Sie uns den schwelenden Splitter in ein Gefäß mit Sauerstoff senken. Die Fackel blinkt hell!

Gasauslassrohr nicht versehentlich auf den Boden des Aufnahmegefäßes abgesenkt wurde. Sauerstoff ist schwerer als Luft und sammelt sich daher am Boden des Behälters, wodurch die Luft verdrängt wird.

Sauerstoff kann auch durch Verdrängung von Wasser gewonnen werden. Dazu muss das Gasaustrittsrohr in ein mit Wasser gefülltes Reagenzglas und mit dem Loch nach unten in einen Kristallisator mit Wasser abgesenkt werden. Wenn Sauerstoff eindringt, verdrängt das Gas Wasser aus dem Reagenzglas.

Zersetzung von Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid- eine jedem bekannte Substanz. Es wird in Apotheken unter dem Namen „Wasserstoffperoxid“ verkauft. Dieser Name ist veraltet; korrekter ist es, den Begriff „Peroxid“ zu verwenden. Chemische Formel von Wasserstoffperoxid H2O2

Wasserstoffperoxid zerfällt während der Lagerung langsam in Wasser und Sauerstoff. Um den Zersetzungsprozess zu beschleunigen, können Sie es erhitzen oder auftragen Katalysator.

Katalysator– eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beschleunigt

Gießen Sie Wasserstoffperoxid in den Kolben und fügen Sie der Flüssigkeit einen Katalysator hinzu. Der Katalysator kann Schwarzpulver – Manganoxid – sein MnO2. Durch die Freisetzung einer großen Menge Sauerstoff beginnt die Mischung sofort zu schäumen. Bringen wir einen glimmenden Splitter in die Flasche – er flammt hell auf. Die Reaktionsgleichung für die Zersetzung von Wasserstoffperoxid lautet:

2H2O2 MnO2 → 2H2O + O2

Bitte beachten Sie: Der Katalysator, der die Reaktion beschleunigt, steht über dem Pfeil oder dem Zeichen «=», denn es wird bei der Reaktion nicht verbraucht, sondern beschleunigt diese nur.

Zersetzung von Kaliumchlorat

Kaliumchlorat- weiße kristalline Substanz. Wird bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern und anderen verschiedenen pyrotechnischen Produkten verwendet. Für diesen Stoff gibt es einen Trivialnamen – „Berthollet-Salz“. Diesen Namen erhielt die Substanz zu Ehren des französischen Chemikers Claude Louis Berthollet, der sie als Erster synthetisierte. Die chemische Formel von Kaliumchlorat lautet KСlO3.

Wenn Kaliumchlorat in Gegenwart eines Katalysators – Manganoxid – erhitzt wird MnO2, Berthollet-Salz zersetzt sich nach folgendem Schema:

2KClO3 t°, MnO2 → 2KCl + 3O2.

Nitratabbau

Nitrate- Stoffe, die Ionen enthalten NO3⎺. Verbindungen dieser Klasse werden als Mineraldünger verwendet und sind in pyrotechnischen Produkten enthalten. Nitrate– Verbindungen sind thermisch instabil und zersetzen sich beim Erhitzen unter Freisetzung von Sauerstoff:

Bitte beachten Sie, dass alle betrachteten Methoden zur Sauerstofferzeugung ähnlich sind. In allen Fällen wird bei der Zersetzung komplexerer Stoffe Sauerstoff freigesetzt.

Zersetzungsreaktion

Im Allgemeinen kann die Zersetzungsreaktion durch ein Buchstabendiagramm beschrieben werden:

AB → A + B.

Unter dem Einfluss verschiedener Faktoren kann es zu Zersetzungsreaktionen kommen. Dies kann Erwärmung, elektrischer Strom oder die Verwendung eines Katalysators sein. Es gibt Reaktionen, bei denen Stoffe spontan zerfallen.

Sauerstoffproduktion in der Industrie

In der Industrie wird Sauerstoff durch Abtrennung aus der Luft gewonnen. Luft– ein Gasgemisch, dessen Hauptbestandteile in der Tabelle aufgeführt sind.

Der Kern dieser Methode besteht darin, die Luft tief abzukühlen und sie in Flüssigkeit umzuwandeln, was bei normalem atmosphärischem Druck bei einer Temperatur von etwa 100 °C erreicht werden kann -192°С. Die Trennung der Flüssigkeit in Sauerstoff und Stickstoff erfolgt unter Ausnutzung der Differenz ihrer Siedetemperaturen, nämlich: Tb. O2 = -183°C; Bp.N2 = -196°С(bei normalem Atmosphärendruck).

Bei der allmählichen Verdampfung einer Flüssigkeit geht der niedriger siedende Stickstoff zunächst in die Gasphase über und bei seiner Freisetzung reichert sich die Flüssigkeit mit Sauerstoff an. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs ist es möglich, Sauerstoff und Stickstoff in der erforderlichen Reinheit zu erhalten. Diese Methode zur Trennung von Flüssigkeiten in ihre Bestandteile nennt man Gleichrichtung flüssiger Luft.

• Im Labor entsteht Sauerstoff durch Zersetzungsreaktionen
• Zersetzungsreaktion- eine Reaktion, bei der komplexe Stoffe in einfachere zerlegt werden
• Sauerstoff kann durch die Luftverdrängungsmethode oder die Wasserverdrängungsmethode gesammelt werden
• Zum Nachweis von Sauerstoff wird ein glimmender Splitter verwendet, in dem er hell aufblitzt
• Katalysator- ein Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt, dabei aber nicht verbraucht wird

Für Sauerstoff zu erhalten, benötigen Sie Substanzen, die reich daran sind. Dies sind Peroxide, Nitrate, Chlorate. Wir werden diejenigen verwenden, die ohne große Schwierigkeiten erhältlich sind.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, zu Hause Sauerstoff zu erhalten; schauen wir uns diese der Reihe nach an.

Der einfachste und zugänglichste Weg, Sauerstoff zu gewinnen, ist die Verwendung von Kaliumpermanganat (oder der korrektere Name ist Kaliumpermanganat). Jeder weiß, dass Kaliumpermanganat ein ausgezeichnetes Antiseptikum ist und als Desinfektionsmittel verwendet wird. Wenn Sie es nicht haben, können Sie es in der Apotheke kaufen.

Lass uns das machen. Gießen Sie etwas Kaliumpermanganat in das Reagenzglas, verschließen Sie es mit einem Reagenzglas mit Loch und stecken Sie ein Gasauslassrohr in das Loch (durch das Sauerstoff strömt). Stecken Sie das andere Ende des Röhrchens in ein anderes Reagenzglas (es sollte auf den Kopf gestellt werden, da der freigesetzte Sauerstoff leichter als Luft ist und nach oben steigt. Das zweite Reagenzglas verschließen wir mit demselben Stopfen.
Als Ergebnis sollten wir zwei Reagenzgläser haben, die durch einen Gasauslassschlauch durch Stopfen miteinander verbunden sind. In einem (nicht umgedrehten) Reagenzglas befindet sich Kaliumpermanganat. Wir werden ein Reagenzglas mit Kaliumpermanganat erhitzen. Die dunkelviolette Kirschfarbe der Kaliumpermanganatkristalle verschwindet und verwandelt sich in dunkelgrüne Kaliummanganatkristalle.

Die Reaktion läuft folgendermaßen ab:

2KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 +O 2

Aus 10 Gramm Kaliumpermanganat kann man also fast 1 Liter Sauerstoff gewinnen. Nach ein paar Minuten können Sie den Kolben mit Kaliumpermanganat von der Flamme nehmen. Wir bekamen Sauerstoff in einem umgedrehten Reagenzglas. Wir können es überprüfen. Trennen Sie dazu vorsichtig den zweiten Schlauch (mit Sauerstoff) vom Gasauslassschlauch und bedecken Sie das Loch mit Ihrem Finger. Wenn Sie nun ein schwach brennendes Streichholz in eine Flasche mit Sauerstoff bringen, wird es hell auflodern!

Sauerstoff gewinnen es ist auch möglich, Natrium- oder Kaliumnitrat (die entsprechenden Natrium- und Kaliumsalze der Salpetersäure) zu verwenden.
(Kalium- und Natriumnitrate – auch Nitrate genannt – werden in Düngemittelgeschäften verkauft).

Um Sauerstoff aus Salpeter zu gewinnen, stellen Sie ein Reagenzglas aus feuerfestem Glas auf einen Ständer und geben Sie dort Salpeterpulver (5 Gramm reichen aus). Sie müssen einen Keramikbecher mit Sand unter das Reagenzglas stellen, da das Glas kann durch die Temperatur und den Fluss schmelzen. Daher muss der Brenner leicht seitlich gehalten werden und das Reagenzglas mit Nitrat muss schräg gehalten werden.

Wenn Nitrat stark erhitzt wird, beginnt es zu schmelzen und dabei Sauerstoff freizusetzen. Die Reaktion sieht so aus:

2KNO 3 → 2KNO 2 +O 2

Die resultierende Substanz ist Kaliumnitrit (oder Natriumnitrit, je nachdem, welche Art von Salpeter verwendet wird) – ein Salz der salpetrigen Säure.

Ein anderer Weg Sauerstoff zu erhalten– Wasserstoffperoxid verwenden. Peroxid und Hydroperit sind alle die gleiche Substanz. Wasserstoffperoxid wird in Tablettenform und in Form von Lösungen (3 %, 5 %, 10 %) verkauft, die in der Apotheke erhältlich sind.

Im Gegensatz zu den bisherigen Stoffen Salpeter oder Kaliumpermanganat ist Wasserstoffperoxid ein instabiler Stoff. Bereits unter Lichteinwirkung beginnt es in Sauerstoff und Wasser zu zerfallen. Daher wird Peroxid in Apotheken in dunklen Glasflaschen verkauft.

Darüber hinaus tragen Katalysatoren wie Manganoxid, Aktivkohle, Stahlpulver (feine Späne) und sogar Speichel zur schnellen Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff bei. Daher muss Wasserstoffperoxid nicht erhitzt werden, ein Katalysator reicht aus!

EIGENSCHAFTEN VON SAUERSTOFF UND METHODEN ZU SEINER GEWINNUNG

Sauerstoff O2 ist das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde. Es kommt in großen Mengen in Form chemischer Verbindungen mit verschiedenen Stoffen in der Erdkruste (bis zu 50 Gew.-%), in Verbindung mit Wasserstoff in Wasser (ca. 86 Gew.-%) und in freiem Zustand in der atmosphärischen Luft vor in einer Mischung hauptsächlich mit Stickstoff in einer Menge von 20,93 % vol. (23,15 % Gew.).

Sauerstoff ist für die Volkswirtschaft von großer Bedeutung. Es wird häufig in der Metallurgie verwendet; Chemieindustrie; zur Gasflammenverarbeitung von Metallen, zum Brandbohren von Hartgesteinen, zur unterirdischen Vergasung von Kohlen; in der Medizin und bei verschiedenen Atemgeräten, beispielsweise für Höhenflüge, und in anderen Bereichen.

Unter normalen Bedingungen ist Sauerstoff ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das nicht brennbar ist, aber die Verbrennung aktiv unterstützt. Bei sehr niedrigen Temperaturen wird Sauerstoff flüssig und sogar fest.

Die wichtigsten physikalischen Konstanten von Sauerstoff sind folgende:

Molekulargewicht	32
Gewicht 1 m 3 bei 0 °C und 760 mm Hg. Kunst. in kg	1,43
Dasselbe bei 20 °C und 760 mm Hg. Kunst. in kg	1,33
Kritische Temperatur in °C	-118
Kritischer Druck in kgf/m 3	51,35
Siedepunkt bei 760 mmHg. Kunst. in °C	-182,97
Gewicht von 1 Liter flüssigem Sauerstoff bei -182, 97 °C und 760 mm Hg. Kunst. in kg.	1,13
Die Menge an gasförmigem Sauerstoff, die aus 1 Liter Flüssigkeit bei 20 °C und 760 mm Hg gewonnen wird. Kunst. in l	850
Erstarrungstemperatur bei 760 mm Hg. Kunst. in °C	-218,4

Sauerstoff hat eine große chemische Aktivität und geht mit allen chemischen Elementen außer Edelgasen Verbindungen ein. Reaktionen von Sauerstoff mit organischen Stoffen haben einen ausgeprägten exothermen Charakter. Wenn also komprimierter Sauerstoff mit fettigen oder fein dispergierten festen brennbaren Substanzen interagiert, kommt es zu deren sofortiger Oxidation und die erzeugte Wärme trägt zur Selbstentzündung dieser Substanzen bei, die einen Brand oder eine Explosion verursachen kann. Diese Eigenschaft muss besonders beim Umgang mit Sauerstoffgeräten berücksichtigt werden.

Eine der wichtigen Eigenschaften von Sauerstoff ist seine Fähigkeit, mit brennbaren Gasen und flüssigen brennbaren Dämpfen in einem weiten Bereich explosionsfähige Gemische zu bilden, die auch bei Vorhandensein einer offenen Flamme oder sogar eines Funkens zu Explosionen führen können. Auch Mischungen von Luft mit gasförmigen oder dampfförmigen Kraftstoffen sind explosionsgefährlich.

Sauerstoff kann gewonnen werden: 1) durch chemische Methoden; 2) Elektrolyse von Wasser; 3) physisch aus der Luft.

Chemische Methoden zur Herstellung von Sauerstoff aus verschiedenen Stoffen sind wirkungslos und haben derzeit nur Laborbedeutung.

Die Elektrolyse von Wasser, d. h. seine Zerlegung in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff, erfolgt in Geräten, die Elektrolyseure genannt werden. Ein Gleichstrom wird durch Wasser geleitet, dem Natronlauge NaOH zugesetzt wird, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen; An der Anode sammelt sich Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Der Nachteil dieser Methode ist der hohe Stromverbrauch: Pro 1 m 3 0 2 werden 12-15 kW verbraucht (zusätzlich werden 2 m 3 N 2 gewonnen). h. Diese Methode ist sinnvoll, wenn billiger Strom vorhanden ist, aber auch bei der Herstellung von elektrolytischem Wasserstoff, wenn Sauerstoff ein Abfallprodukt ist.

Die physikalische Methode besteht darin, die Luft durch Tiefenkühlung in ihre Bestandteile zu zerlegen. Diese Methode ermöglicht die Gewinnung von Sauerstoff in nahezu unbegrenzten Mengen und ist von großer industrieller Bedeutung. Der Stromverbrauch pro 1 m 3 O 2 beträgt 0,4-1,6 kW. h, abhängig von der Art der Installation.

SAUERSTOFF AUS DER LUFT GEWINNEN

Atmosphärische Luft ist hauptsächlich ein mechanisches Gemisch aus drei Gasen mit folgendem Volumengehalt: Stickstoff – 78,09 %, Sauerstoff – 20,93 %, Argon – 0,93 %. Darüber hinaus enthält es etwa 0,03 % Kohlendioxid und geringe Mengen an Edelgasen, Wasserstoff, Lachgas usw.

Die Hauptaufgabe bei der Gewinnung von Sauerstoff aus Luft besteht darin, die Luft in Sauerstoff und Stickstoff zu zerlegen. Dabei werden Argon abgeschieden, dessen Einsatz in speziellen Schweißverfahren immer weiter zunimmt, sowie Edelgase, die in vielen Industriezweigen eine wichtige Rolle spielen. Stickstoff wird beim Schweißen als Schutzgas, in der Medizin und in anderen Bereichen eingesetzt.

Der Kern der Methode besteht darin, die Luft tief abzukühlen und in einen flüssigen Zustand zu überführen, der bei normalem Atmosphärendruck im Temperaturbereich von -191,8 °C (Beginn der Verflüssigung) bis -193,7 °C (Ende der Verflüssigung) erreicht werden kann ).

Die Trennung der Flüssigkeit in Sauerstoff und Stickstoff erfolgt unter Ausnutzung der Differenz ihrer Siedetemperaturen, nämlich: T bp. o2 = -182,97° C; Siedetemperatur N2 = -195,8° C (bei 760 mm Hg).

Bei der allmählichen Verdampfung einer Flüssigkeit geht der niedriger siedende Stickstoff zunächst in die Gasphase über und bei seiner Freisetzung reichert sich die Flüssigkeit mit Sauerstoff an. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs ist es möglich, Sauerstoff und Stickstoff in der erforderlichen Reinheit zu erhalten. Diese Methode, Flüssigkeiten in ihre Bestandteile zu zerlegen, wird Rektifikation genannt.

Zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft gibt es spezialisierte Betriebe, die mit Hochleistungsanlagen ausgestattet sind. Darüber hinaus verfügen große metallverarbeitende Betriebe über eigene Sauerstoffstationen.

Die zur Luftverflüssigung erforderlichen niedrigen Temperaturen werden durch sogenannte Kältekreisläufe erreicht. Nachfolgend werden die wichtigsten Kühlkreisläufe moderner Anlagen kurz erläutert.

Der Kühlkreislauf mit Luftdrosselung basiert auf dem Joule-Thomson-Effekt, d. h. einem starken Abfall der Gastemperatur während seiner freien Expansion. Das Zyklusdiagramm ist in Abb. dargestellt. 2.

Die Luft wird in einem mehrstufigen Kompressor 1 auf 200 kgf/cm2 komprimiert und strömt dann durch einen Kühlschrank 2 mit fließendem Wasser. Im Wärmetauscher 3 erfolgt eine Tiefenkühlung der Luft durch die Rückströmung von Kaltgas aus dem Flüssigkeitssammler (Verflüssiger) 4. Durch die Ausdehnung der Luft in der Drosselklappe 5 wird diese zusätzlich und teilweise abgekühlt verflüssigt.

Der Druck im Kollektor 4 wird auf 1–2 kgf/cm 2 reguliert. Die Flüssigkeit wird regelmäßig über Ventil 6 aus der Sammlung in spezielle Behälter abgelassen. Der nicht verflüssigte Teil der Luft wird über einen Wärmetauscher abgeführt, wodurch neue Teile der einströmenden Luft gekühlt werden.

Die Abkühlung der Luft auf Verflüssigungstemperatur erfolgt allmählich; Beim Einschalten der Anlage gibt es eine Anlaufphase, in der keine Luftverflüssigung beobachtet wird, sondern lediglich eine Abkühlung der Anlage erfolgt. Dieser Zeitraum dauert mehrere Stunden.

Der Vorteil des Zyklus liegt in seiner Einfachheit, der Nachteil ist jedoch der relativ hohe Stromverbrauch – bis zu 4,1 kW. h pro 1 kg verflüssigter Luft bei einem Kompressordruck von 200 kgf/cm 2; bei geringerem Druck steigt der spezifische Energieverbrauch stark an. Dieser Zyklus wird in Anlagen mit geringer und mittlerer Kapazität zur Erzeugung von Sauerstoffgas eingesetzt.

Etwas komplexer ist der Kreislauf mit Drosselung und Vorkühlung der Luft mit Ammoniak.

Der Mitteldruck-Kältekreislauf mit Expansion in einem Expander basiert auf einer Abnahme der Gastemperatur während der Expansion unter Rückführung externer Arbeit. Darüber hinaus wird auch der Joule-Thomson-Effekt genutzt. Das Zyklusdiagramm ist in Abb. dargestellt. 3.

Die Luft wird im Kompressor 1 auf 20–40 kgf/cm 2 komprimiert, strömt durch den Kühlschrank 2 und dann durch die Wärmetauscher 3 und 4. Nach Wärmetauscher 3 wird der größte Teil der Luft (70–80 %) zur Kolbenexpansion geleitet Maschinenexpander 6, und ein kleinerer Teil der Luft (20-30 %) gelangt zur freien Expansion in das Drosselventil 5 und dann in den Sammelbehälter 7, der über ein Ventil 8 zum Ablassen der Flüssigkeit verfügt. Im Expander 6

Die bereits im ersten Wärmetauscher abgekühlte Luft leistet ihre Arbeit – sie drückt auf den Kolben der Maschine, ihr Druck sinkt auf 1 kgf/cm 2, wodurch die Temperatur stark abfällt. Aus dem Expander wird kalte Luft mit einer Temperatur von etwa -100 °C über die Wärmetauscher 4 und 3 nach außen abgegeben und kühlt so die einströmende Luft. Somit sorgt der Expander für eine sehr effektive Kühlung der Anlage bei relativ niedrigem Druck im Kompressor. Die Arbeit des Expanders wird sinnvoll genutzt und die für die Luftverdichtung im Kompressor aufgewendete Energie teilweise kompensiert.

Die Vorteile des Kreislaufs sind: relativ niedriger Kompressionsdruck, der die Konstruktion des Kompressors vereinfacht, und erhöhte Kühlkapazität (dank des Expanders), was einen stabilen Betrieb der Anlage bei der Aufnahme von Sauerstoff in flüssiger Form gewährleistet.

Niederdruck-Kühlkreislauf mit Expansion in einem Turboexpander, entwickelt von Acad. P. L. Kapitsa basiert auf der Verwendung von Niederdruckluft mit der Erzeugung von Kälte nur durch die Expansion dieser Luft in einer Luftturbine (Turboexpander) unter Erzeugung äußerer Arbeit. Das Zyklusdiagramm ist in Abb. dargestellt. 4.

Die Luft wird vom Turbokompressor 1 auf 6–7 kgf/cm2 komprimiert, im Kühlschrank 2 mit Wasser gekühlt und den Regeneratoren 3 (Wärmetauschern) zugeführt, wo sie durch einen umgekehrten Kaltluftstrom gekühlt wird. Bis zu 95 % der Luft, nachdem die Regeneratoren zum Turboexpander 4 geleitet werden, expandieren bei äußerer Arbeit auf einen absoluten Druck von 1 kgf/cm 2 und werden stark abgekühlt, wonach sie dem Rohrraum des Kondensators 5 zugeführt werden und kondensiert den Rest der Druckluft (5 %), der in den Ringraum gelangt. Vom Kondensator 5 wird der Hauptluftstrom zu den Regeneratoren geleitet und kühlt die einströmende Luft, und die flüssige Luft wird durch das Drosselventil 6 in den Sammelbehälter 7 geleitet, aus dem sie durch Ventil 8 abgelassen wird. Das Diagramm zeigt einen Regenerator , aber in Wirklichkeit gibt es mehrere davon und sie werden nacheinander eingeschaltet.

Die Vorteile eines Niederdruckkreislaufs mit einem Turboexpander sind: höhere Effizienz von Turbomaschinen im Vergleich zu Kolbenmaschinen, Vereinfachung des technologischen Schemas, erhöhte Zuverlässigkeit und Explosionssicherheit der Anlage. Der Zyklus wird in Hochleistungsanlagen eingesetzt.

Die Zerlegung flüssiger Luft in Bestandteile erfolgt durch den Rektifikationsprozess, dessen Kern darin besteht, dass das bei der Verdampfung flüssiger Luft entstehende dampfförmige Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff durch eine Flüssigkeit mit geringerem Sauerstoffgehalt geleitet wird. Da die Flüssigkeit weniger Sauerstoff und mehr Stickstoff enthält, hat sie eine niedrigere Temperatur als der durchströmende Dampf, und dies führt zur Kondensation von Sauerstoff aus dem Dampf und seiner Anreicherung der Flüssigkeit bei gleichzeitiger Verdampfung von Stickstoff aus der Flüssigkeit. d.h. seine Anreicherung des Dampfes über der Flüssigkeit.

Eine Vorstellung vom Wesen des Rektifikationsprozesses kann die in Abb. gezeigte Abbildung geben. 5 ist ein vereinfachtes Diagramm des Prozesses der wiederholten Verdampfung und Kondensation von flüssiger Luft.

Wir gehen davon aus, dass Luft nur aus Stickstoff und Sauerstoff besteht. Stellen wir uns vor, dass mehrere Gefäße (I-V) miteinander verbunden sind; das obere Gefäß enthält flüssige Luft mit 21 % Sauerstoff. Durch die gestufte Anordnung der Gefäße fließt die Flüssigkeit nach unten, reichert sich dabei nach und nach mit Sauerstoff an und erhöht ihre Temperatur.

Nehmen wir an, dass sich in Gefäß II eine Flüssigkeit befindet, die 30 % O 2 enthält, in Gefäß III - 40 %, in Gefäß IV - 50 % und in Gefäß V - 60 % Sauerstoff.

Um den Sauerstoffgehalt in der Dampfphase zu bestimmen, verwenden wir ein spezielles Diagramm – Abb. 6, deren Kurven den Sauerstoffgehalt in Flüssigkeit und Dampf bei verschiedenen Drücken angeben.

Beginnen wir mit der Verdampfung der Flüssigkeit in Gefäß V bei einem absoluten Druck von 1 kgf/cm2. Wie aus Abb. ersichtlich ist. 6, über der Flüssigkeit in diesem Gefäß, die aus 60 % O 2 und 40 % N 2 besteht, kann sich eine Glbefinden, die 26,5 % O 2 und 73,5 % N 2 enthält und die gleiche Temperatur wie die Flüssigkeit hat. Diesen Dampf leiten wir in Behälter IV ein, wo die Flüssigkeit nur 50 % O 2 und 50 % N 2 enthält und daher kälter ist. Aus Abb. 6 zeigt, dass der Dampf über dieser Flüssigkeit nur 19 % O 2 und 81 % N 2 enthalten kann und nur in diesem Fall seine Temperatur gleich der Temperatur der Flüssigkeit in diesem Gefäß ist.

Folglich hat der dem Behälter IV aus Behälter V zugeführte Dampf, der 26,5 % O 2 enthält, eine höhere Temperatur als die Flüssigkeit in Behälter IV; Daher kondensiert der Sauerstoff des Dampfes in der Flüssigkeit von Gefäß IV und ein Teil des Stickstoffs daraus verdampft. Dadurch wird die Flüssigkeit im Gefäß IV mit Sauerstoff und der Dampf darüber mit Stickstoff angereichert.

Ein ähnlicher Prozess findet auch in anderen Gefäßen statt und so wird die Flüssigkeit beim Ablassen aus den oberen Gefäßen in die unteren mit Sauerstoff angereichert, der aus den aufsteigenden Dämpfen kondensiert und ihnen Stickstoff verleiht.

Wenn man den Prozess nach oben fortsetzt, erhält man Dampf, der aus fast reinem Stickstoff besteht, und im unteren Teil reinen flüssigen Sauerstoff. In Wirklichkeit ist der Rektifikationsprozess, der in Destillationskolonnen von Sauerstoffanlagen abläuft, viel komplizierter als beschrieben, sein grundlegender Inhalt ist jedoch derselbe.

Unabhängig vom technologischen Schema der Anlage und der Art des Kühlkreislaufs umfasst der Prozess der Sauerstofferzeugung aus Luft die folgenden Phasen:

1) Reinigung der Luft von Staub, Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Bindung von CO 2 erfolgt durch Durchleiten von Luft durch eine wässrige NaOH-Lösung;

2) Luftkomprimierung in einem Kompressor, gefolgt von Kühlung in Kühlschränken;

3) Kühlung von Druckluft in Wärmetauschern;

4) Expansion von Druckluft in einem Drosselventil oder Expander, um sie abzukühlen und zu verflüssigen;

5) Verflüssigung und Rektifikation von Luft zur Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff;

6) Ablassen von flüssigem Sauerstoff in stationäre Tanks und Ablassen von gasförmigem Sauerstoff in Gastanks;

7) Qualitätskontrolle des erzeugten Sauerstoffs;

8) Befüllen von Transporttanks mit flüssigem Sauerstoff und Befüllen von Flaschen mit gasförmigem Sauerstoff.

Die Qualität von gasförmigem und flüssigem Sauerstoff wird durch entsprechende GOSTs geregelt.

Gemäß GOST 5583-58 wird gasförmiger technischer Sauerstoff in drei Klassen hergestellt: höchste – mit einem Gehalt von nicht weniger als 99,5 % O 2, 1. – nicht weniger als 99,2 % O 2 und 2. – nicht weniger als 98,5 % O 2 , der Rest ist Argon und Stickstoff (0,5-1,5 %). Der Feuchtigkeitsgehalt sollte 0,07 g/f 3 nicht überschreiten. Durch Elektrolyse von Wasser gewonnener Sauerstoff sollte nicht mehr als 0,7 Vol.-% Wasserstoff enthalten.

Gemäß GOST 6331-52 wird flüssiger Sauerstoff in zwei Qualitäten hergestellt: Klasse A mit einem Gehalt von mindestens 99,2 % O 2 und Klasse B mit einem Gehalt von mindestens 98,5 % O 2 . Der Acetylengehalt im flüssigen Sauerstoff sollte 0,3 cm 3 /l nicht überschreiten.

Prozesssauerstoff, der zur Intensivierung verschiedener Prozesse in der metallurgischen, chemischen und anderen Industrie verwendet wird, enthält 90–98 % O 2 .

Die Qualitätskontrolle von gasförmigem und auch flüssigem Sauerstoff erfolgt direkt während des Produktionsprozesses mit speziellen Instrumenten.

Verwaltung Gesamtbewertung des Artikels: Veröffentlicht: 2012.06.01

>> Sauerstoff gewinnen

Sauerstoff gewinnen

In diesem Absatz geht es um:

> über die Entdeckung des Sauerstoffs;
> über die Sauerstoffgewinnung in Industrie und Labor;
> über Zersetzungsreaktionen.

Entdeckung von Sauerstoff.

J. Priestley gewann dieses Gas aus einer Verbindung namens Quecksilber(II)-oxid. Der Wissenschaftler nutzte eine Glaslinse, mit der er das Sonnenlicht auf die Substanz fokussierte.

In einer modernen Version ist dieses Experiment in Abbildung 54 dargestellt. Beim Erhitzen verwandelt sich Quecksilberoxid (||) (gelbes Pulver) in Quecksilber und Sauerstoff. Quecksilber wird in gasförmigem Zustand freigesetzt und kondensiert in Form silberner Tropfen an den Wänden des Reagenzglases. Im zweiten Reagenzglas wird Sauerstoff über dem Wasser gesammelt.

Priestleys Methode wird nicht mehr angewendet, da Quecksilberdampf giftig ist. Sauerstoff wird durch andere Reaktionen erzeugt, die der besprochenen ähneln. Sie treten meist beim Erhitzen auf.

Reaktionen, bei denen aus einem Stoff mehrere andere entstehen, nennt man Zersetzungsreaktionen.

Zur Sauerstoffgewinnung im Labor werden folgende sauerstoffhaltige Verbindungen verwendet:

Kaliumpermanganat KMnO 4 (gebräuchlicher Name Kaliumpermanganat; Substanz ist ein gängiges Desinfektionsmittel)

Kaliumchlorat KClO 3 (Trivialname – Berthollet-Salz, zu Ehren des französischen Chemikers des späten 18. – frühen 19. Jahrhunderts C.-L. Berthollet)

Eine kleine Menge Katalysator – Mangan(IV)-oxid MnO 2 – wird Kaliumchlorat zugesetzt, so dass die Zersetzung der Verbindung unter Freisetzung von Sauerstoff 1 erfolgt.

Laborexperiment Nr. 8

Sauerstoffproduktion durch Zersetzung von Wasserstoffperoxid H 2 O 2

Gießen Sie 2 ml Wasserstoffperoxidlösung in ein Reagenzglas (der traditionelle Name für diese Substanz ist Wasserstoffperoxid). Zünden Sie einen langen Holzsplitter an und löschen Sie ihn (wie mit einem Streichholz), sodass er kaum noch glimmt.
Gießen Sie etwas Katalysator – schwarzes Mangan(IV)-oxidpulver – in ein Reagenzglas mit einer Wasserstoffoxidlösung. Beobachten Sie die schnelle Freisetzung von Gas. Verwenden Sie einen glimmenden Splitter, um zu überprüfen, ob es sich bei dem Gas um Sauerstoff handelt.

Schreiben Sie eine Gleichung für die Zersetzungsreaktion von Wasserstoffperoxid, dessen Reaktionsprodukt Wasser ist.

Im Labor kann Sauerstoff auch durch Zersetzung von Natriumnitrat NaNO 3 oder Kaliumnitrat KNO 3 2 gewonnen werden. Beim Erhitzen schmelzen die Verbindungen zunächst und zersetzen sich dann:

1 Wenn eine Verbindung ohne Katalysator erhitzt wird, findet eine andere Reaktion statt

2 Diese Stoffe werden als Düngemittel verwendet. Ihr gebräuchlicher Name ist Salpeter.

Schema 7. Labormethoden zur Herstellung von Sauerstoff

Wandeln Sie Reaktionsdiagramme in chemische Gleichungen um.

Informationen darüber, wie Sauerstoff im Labor hergestellt wird, sind in Schema 7 zusammengestellt.

Sauerstoff ist zusammen mit Wasserstoff ein Zersetzungsprodukt von Wasser unter dem Einfluss von elektrischem Strom:

In der Natur wird Sauerstoff durch Photosynthese in den grünen Blättern von Pflanzen produziert. Ein vereinfachtes Diagramm dieses Prozesses sieht wie folgt aus:

Schlussfolgerungen

Sauerstoff wurde Ende des 18. Jahrhunderts entdeckt. mehrere Wissenschaftler .

Sauerstoff wird in der Industrie aus der Luft und im Labor durch Zersetzungsreaktionen bestimmter sauerstoffhaltiger Verbindungen gewonnen. Bei einer Zersetzungsreaktion entstehen aus einem Stoff zwei oder mehr Stoffe.

129. Wie wird Sauerstoff in der Industrie gewonnen? Warum verwenden sie dafür nicht Kaliumpermanganat oder Wasserstoffperoxid?

130. Welche Reaktionen werden Zersetzungsreaktionen genannt?

131. Wandeln Sie die folgenden Reaktionsschemata in chemische Gleichungen um:

132. Was ist ein Katalysator? Wie kann es den Ablauf chemischer Reaktionen beeinflussen? (Verwenden Sie für Ihre Antwort auch das Material in § 15.)

133. Abbildung 55 zeigt den Zeitpunkt der Zersetzung eines weißen Feststoffs mit der Formel Cd(NO3)2. Schauen Sie sich die Zeichnung genau an und beschreiben Sie alles, was während der Reaktion passiert. Warum flammt ein glimmender Splitter auf? Schreiben Sie die entsprechende chemische Gleichung.

134. Der Massenanteil an Sauerstoff im Rückstand nach dem Erhitzen von Kaliumnitrat KNO 3 betrug 40 %. Hat sich diese Verbindung vollständig zersetzt?

Reis. 55. Zersetzung eines Stoffes beim Erhitzen

Popel P. P., Kryklya L. S., Chemie: Pidruch. für die 7. Klasse zagalnosvit. Navch. Schließen - K.: VC "Academy", 2008. - 136 S.: Abb.

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