Увеличение удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, работающих на топливе кислород керосин, методом добавки водорода в камеру сгорания – тема научной статьи по механике и машиностроению читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

Увеличение удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, работающих на топливе кислород   керосин, методом добавки водорода в камеру сгорания – тема научной статьи по механике и машиностроению читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка Кислород

Биологическая роль кислорода

Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом.
Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»).

Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном.

Изотопы

Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16O, 17O и 18O, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759 %, 0,037 % и 0,204 % от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из них 16O связано с тем, что ядро атома 16O состоит из 8 протонов и 8 нейтронов (дважды магическое ядро с заполненными нейтронной и протонной оболочками). А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.

Также известны радиоактивные изотопы кислорода с массовыми числами от 12O до 28O. Все радиоактивные изотопы кислорода имеют малый период полураспада, наиболее долгоживущий из них — 15O с периодом полураспада ~120 секунд. Наиболее краткоживущий изотоп 12O имеет период полураспада 5,8⋅10−22 секунд.

История открытия

Официально считается[4][5], что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли1 августа1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью большой линзы).

2HgO→t2Hg O2↑{displaystyle {ce {2HgO ->[t] 2Hg O2 ^}}}.

Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье.

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела очень большое значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория.

Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по изменению веса сожжённых элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

Нахождение в природе

Накопление O2 в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка.  1. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O2 не производился 2. (2,45—1,85 млрд лет назад) — O2 производился, но поглощался океаном и породами морского дна 3. (1,85—0,85 млрд лет назад) — O2 выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя 4. (0,85—0,54 млрд лет назад) — все горные породы на суше окислены, начинается накопление O2 в атмосфере 5. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) — современный период, содержание O2 в атмосфере стабилизировалось

Накопление O

2

в

атмосфере

Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка.

1

. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O

2

не производился

2

. (2,45—1,85 млрд лет назад) — O

2

производился, но поглощался океаном и породами морского дна

3

. (1,85—0,85 млрд лет назад) — O

2

выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя

4

. (0,85—0,54 млрд лет назад) — все горные породы на суше окислены, начинается накопление O

2

в атмосфере

5

. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) — современный период, содержание O

2

в атмосфере стабилизировалось

Кислород — самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе).

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 1015 тонн[7]). Однако до появления первых фотосинтезирующих микробов в архее 3,5 млрд лет назад в атмосфере его практически не было.

Свободный кислород в больших количествах начал появляться в палеопротерозое (3—2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы (кислородной катастрофы). Первый миллиард лет практически весь кислород поглощался растворённым в океанах железом и формировал залежи джеспилита.

Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими[10].

С начала кембрия 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от 15 % до 30 % по объёму[11]. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время[12].

Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около 60 % кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения, 80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов[13].

Деятельность человека очень мало влияет на количество свободного кислорода в атмосфере[14][нет в источнике].

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %[6].

В 2022 году датские учёные доказали, что свободный кислород входил в состав атмосферы уже 3,8 млрд лет назад[16].

Происхождение названия

Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. oxygène), предложенного А.

Лавуазье (от др.-греч.ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуреоксидами.

Разложение кислородсодержащих веществ

Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:

2KMnO4→tK2MnO4 MnO2 O2↑{displaystyle {ce {2KMnO4 ->[t] K2MnO4 MnO2 O2 ^}}}

Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода H2O2 в присутствии оксида марганца(IV):

2H2O2→MnO22H2O O2↑{displaystyle {ce {2H2O2 ->[MnO2] 2H2O O2 ^}}}

Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:

2KClO3⟶2KCl 3O2↑{displaystyle {ce {2KClO3 -> 2KCl 3O2 ^}}}

Разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C) было первым методом синтеза кислорода:

2HgO→100°C2Hg O2↑{displaystyle {ce {2HgO ->[100{°}C] 2Hg O2 ^}}}

Реакция перекисных соединений с углекислым газом

На подводных лодках и орбитальных станциях обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:

2Na2O2 2CO2⟶2Na2CO3 O2↑{displaystyle {ce {2Na2O2 2CO2 -> 2Na2CO3 O2 ^}}}

Для соблюдения баланса объёмов поглощённого углекислого газа и выделившегося кислорода, к нему добавляют надпероксид калия. В космических кораблях для уменьшения веса иногда используется пероксид лития.

Регистр лекарственных средств россии рлс пациент 2003. — москва, регистр лекарственных средств россии, 2002. — 1.5.2.1. дыхательная система. физиология дыхания

Процесс дыхания, поступление кислорода в организм при вдохе и удаление из него углекислого газа и паров воды при выдохе. Строение респираторной системы. Ритмичность и различные типы дыхательного процесса. Регуляция дыхания. Разные способы дыхания.

Для нормального протекания обменных процессов в организме человека и животных в равной мере необходим как постоянный приток кислорода, так и непрерывное удаление углекислого газа, накапливающегося в ходе обмена веществ. Такой процесс называется внешним дыханием.

Таким образом, дыхание – одна из важнейших функций регулирования жизнедеятельности человеческого организма. В организме человека функцию дыхания обеспечивает дыхательная (респираторная система).

В дыхательную систему входят легкие и респираторный тракт (дыхательные пути), который, в свою очередь, включает носовые ходы, гортань, трахею, бронхи, мелкие бронхи и альвеолы (смотри рисунок 1.5.3). Бронхи разветвляются, распространяясь по всему объему легких, и напоминают крону дерева. Поэтому часто трахею и бронхи со всеми ответвлениями называют бронхиальным деревом.

Кислород в составе воздуха через носовые ходы, гортань, трахею и бронхи попадает в легкие. Концы самых мелких бронхов заканчиваются множеством тонкостенных легочных пузырьков – альвеол (смотри рисунок 1.5.3).

Альвеолы – это 500 миллионов пузырьков диаметром 0,2 мм, где происходит переход кислородом в кровь, удаление углекислого газа из крови.

Здесь и происходит газообмен. Кислород из легочных пузырьков проникает в кровь, а углекислый газ из крови – в легочные пузырьки (рисунок 1.5.4).

Увеличение удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, работающих на топливе кислород   керосин, методом добавки водорода в камеру сгорания – тема научной статьи по механике и машиностроению читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

Рисунок 1.5.4. Легочный пузырек. Газообмен в легких

Важнейший механизм газообмена – это диффузия, при которой молекулы перемещаются из области их высокого скопления в область низкого содержания без затраты энергии (пассивный транспорт). Перенос кислорода из окружающей среды к клеткам производится путем транспорта кислорода в альвеолы, далее в кровь. Таким образом, венозная кровь обогащается кислородом и превращается в артериальную. Поэтому состав выдыхаемого воздуха отличается от состава наружного воздуха: в нем содержится меньше кислорода и больше углекислого газа, чем в наружном, и много водяных паров (смотри рисунок 1.5.4). Кислород связывается с гемоглобином, который содержится в эритроцитах, насыщенная кислородом кровь поступает в сердце и выталкивается в большой круг кровообращения. По нему кровь разносит кислород по всем тканям организма. Поступление кислорода в ткани обеспечивает их оптимальное функционирование, при недостаточном же поступлении наблюдается процесс кислородного голодания (гипоксии).

Недостаточное поступление кислорода может быть обусловлено несколькими причинами как внешними (уменьшение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе), так и внутренними (состояние организма в данный момент времени). Пониженное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе, так же как и увеличение содержания углекислого газа и других вредных токсических веществ наблюдается в связи с ухудшением экологической обстановки и загрязнением атмосферного воздуха. По данным экологов только 15% горожан проживают на территории с допустимым уровнем загрязнения воздуха, в большинстве же районов содержание углекислого газа увеличено в несколько раз.

При очень многих физиологических состояниях организма (подъем в гору, интенсивная мышечная нагрузка), так же как и при различных патологических процессах (заболевания сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем) в организме также может наблюдаться гипоксия.

Природа выработала множество способов, с помощью которых организм приспосабливается к различным условиям существования, в том числе к гипоксии. Так компенсаторной реакцией организма, направленной на дополнительное поступление кислорода и скорейшее выведение избыточного количества углекислого газа из организма является углубление и учащение дыхания. Чем глубже дыхание, тем лучше вентилируются легкие и тем больше кислорода поступает к клеткам тканей.

К примеру, во время мышечной работы усиление вентиляции легких обеспечивает возрастающие потребности организма в кислороде. Если в покое глубина дыхания (объем воздуха, вдыхаемого или выдыхаемого за один вдох или выдох) составляет 0,5 л, то во время напряженной мышечной работы она увеличивается до 2-4 л в 1 минуту. Расширяются кровеносные сосуды легких и дыхательных путей (а также дыхательных мышц), увеличивается скорость тока крови по сосудам внутренних органов. Активируется работа дыхательных нейронов. Кроме того, в мышечной ткани есть особый белок (миоглобин), способный обратимо связывать кислород. 1 г миоглобина может связать примерно до 1,34 мл кислорода. Запасы кислорода в сердце составляют около 0,005 мл кислорода на 1 г ткани и этого количества в условиях полного прекращения доставки кислорода к миокарду может хватить для того, чтобы поддерживать окислительные процессы лишь в течение примерно 3-4 с.

Миоглобин играет роль кратковременного депо кислорода. В миокарде кислород, связанный с миоглобином, обеспечивает окислительные процессы в тех участках, кровоснабжение которых на короткий срок нарушается.

В начальном периоде интенсивной мышечной нагрузки увеличенные потребности скелетных мышц в кислороде частично удовлетворяются за счет кислорода, высвобождающегося миоглобином. В дальнейшем возрастает мышечный кровоток, и поступление кислорода к мышцам вновь становится адекватным.

Все эти факторы, включая усиление вентиляции легких, компенсируют кислородный “долг”, который наблюдается при физической работе. Естественно, увеличению доставки кислорода к работающим мышцам и удалению углекислого газа способствует согласованное увеличение кровообращения в других системах организма.

Саморегуляция дыхания. Организм осуществляет тонкое регулирование содержания кислорода и углекислого газа в крови, которое остается относительно постоянным, несмотря на колебания количества поступающего кислорода и потребности в нем. Во всех случаях регуляция интенсивности дыхания направлена на конечный приспособительный результат – оптимизацию газового состава внутренней среды организма.

Частота и глубина дыхания регулируются нервной системой – ее центральными (дыхательный центр) и периферическими (вегетативными) звеньями. В дыхательном центре, расположенном в головном мозге, имеются центр вдоха и центр выдоха.

Дыхательный центр представляет совокупность нейронов, расположенных в продолговатом мозге центральной нервной системы.

При нормальном дыхании центр вдоха посылает ритмические сигналы к мышцам груди и диафрагме, стимулируя их сокращение. Ритмические сигналы образуются в результате спонтанного образования электрических импульсов нейронами дыхательного центра.

Сокращение дыхательных мышц приводит к увеличению объема грудной полости, в результате чего воздух входит в легкие. По мере увеличения объема легких возбуждаются рецепторы растяжения, расположенные в стенках легких; они посылают сигналы в мозг – в центр выдоха. Этот центр подавляет активность центра вдоха, и поток импульсных сигналов к дыхательным мышцам прекращается. Мышцы расслабляются, объем грудной полости уменьшается, и воздух из легких вытесняется наружу (смотри рисунок 1.5.5).

Увеличение удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, работающих на топливе кислород   керосин, методом добавки водорода в камеру сгорания – тема научной статьи по механике и машиностроению читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

Рисунок 1.5.5. Регуляция дыхания

Процесс дыхания, как уже отмечалось, состоит из легочного (внешнего) дыхания, а также транспорта газа кровью и тканевого (внутреннего) дыхания. Если клетки организма начинают интенсивно использовать кислород и выделять много углекислого газа, то в крови повышается концентрация угольной кислоты. Кроме того, увеличивается содержание молочной кислоты в крови за счет усиленного образования ее в мышцах. Данные кислоты стимулируют дыхательный центр, и частота и глубина дыхания увеличиваются. Это еще один уровень регуляции. В стенках крупных сосудов, отходящих от сердца, имеются специальные рецепторы, реагирующие на понижение уровня кислорода в крови. Эти рецепторы также стимулируют дыхательный центр, повышая интенсивность дыхания. Данный принцип автоматической регуляции дыхания лежит в основе бессознательного управления дыханием, что позволяет сохранить правильную работу всех органов и систем независимо от условий, в которых находится организм человека.

Ритмичность дыхательного процесса, различные типы дыхания. В норме дыхание представлено равномерными дыхательными циклами “вдох – выдох” до 12-16 дыхательных движений в минуту. В среднем такой акт дыхания совершается за 4-6 с. Акт вдоха проходит несколько быстрее, чем акт выдоха (соотношение длительности вдоха и выдоха в норме составляет 1:1,1 или 1:1,4). Такой тип дыхания называется эйпноэ (дословно – хорошее дыхание). При разговоре, приеме пищи ритм дыхания временно меняется: периодически могут наступать задержки дыхания на вдохе или на выходе (апноэ). Во время сна также возможно изменение ритма дыхания: в период медленного сна дыхание становится поверхностным и редким, а в период быстрого – углубляется и учащается. При физической нагрузке за счет повышенной потребности в кислороде возрастает частота и глубина дыхания, и, в зависимости от интенсивности работы, частота дыхательных движений может достигать 40 в минуту.

При смехе, вздохе, кашле, разговоре, пении происходят определенные изменения ритма дыхания по сравнению с так называемым нормальным автоматическим дыханием. Из этого следует, что способ и ритм дыхания можно целенаправленно регулировать с помощью сознательного изменения ритма дыхания.

Человек рождается уже с умением использовать лучший способ дыхания. Если проследить как дышит ребенок, становится заметным, что его передняя брюшная стенка постоянно поднимается и опускается, а грудная клетка остается практически неподвижной. Он “дышит” животом – это так называемый диафрагмальный тип дыхания.

Диафрагма – это мышца, разделяющая грудную и брюшную полости.Сокращения данной мышцы способствуют осуществлению дыхательных движений: вдоха и выдоха.

В повседневной жизни человек не задумывается о дыхании и вспоминает о нем, когда по каким-то причинам становится трудно дышать. Например, в течение жизни напряжение мышц спины, верхнего плечевого пояса, неправильная осанка приводят к тому, что человек начинает “дышать” преимущественно только верхними отделами грудной клетки, при этом объем легких задействуется всего лишь на 20%. Попробуйте положить руку на живот и сделать вдох. Заметили, что рука на животе практически не изменила своего положения, а грудная клетка поднялась. При таком типе дыхания человек задействует преимущественно мышцы грудной клетки (грудной тип дыхания) или области ключиц (ключичное дыхание). Однако как при грудном, так и при ключичном дыхании организм снабжается кислородом в недостаточной степени.

Недостаток поступления кислорода может возникнуть также при изменении ритмичности дыхательных движений, то есть изменении процессов смены вдоха и выдоха.

В состоянии покоя кислород относительно интенсивно поглощается миокардом, серым веществом головного мозга (в частности, корой головного мозга), клетками печени и корковым веществом почек; клетки скелетной мускулатуры, селезенка и белое вещество головного мозга потребляют в состоянии покоя меньший объем кислорода, то при физической нагрузке потребление кислорода миокардом увеличивается в 3-4 раза, а работающими скелетными мышцами – более чем в 20-50 раз по сравнению с покоем.

Интенсивное дыхание, состоящее в увеличении скорости дыхания или его глубины (процесс называется гипервентиляцией), приводит к увеличению поступления кислорода через воздухоносные пути. Однако частая гипервентиляция способна обеднить ткани организма кислородом. Частое и глубокое дыхание приводит к уменьшению количества углекислоты в крови (гипокапнии) и защелачиванию крови – респираторному алкалозу.

Подобный эффект прослеживается, если нетренированный человек осуществляет частые и глубокие дыхательные движения в течение короткого времени. Наблюдаются изменения со стороны как центральной нервной системы (возможно появление головокружения, зевоты, мелькания “мушек” перед глазами и даже потери сознания), так и сердечно-сосудистой системы (появляется одышка, боль в сердце и другие признаки). В основе данных клинических проявлений гипервентиляционного синдрома лежат гипокапнические нарушения, приводящие к уменьшению кровоснабжения головного мозга. В норме у спортсменов в покое после гипервентиляции наступает состояние сна.

Следует отметить, что эффекты, возникающие при гипервентиляции, остаются в то же время физиологичными для организма – ведь на любое физическое и психоэмоциональное напряжение организм человека в первую очередь реагирует изменением характера дыхания.

При глубоком, медленном дыхании (брадипноэ) наблюдается гиповентиляционный эффект. Гиповентиляция – поверхностное и замедленное дыхание, в результате которого в крови отмечается понижение содержание кислорода и резкое увеличение содержания углекислого газа (гиперкапния).

Количество кислорода, которое клетки используют для окислительных процессов, зависит от насыщенности крови кислородом и степени проникновения кислорода из капилляров в ткани.Снижение поступления кислорода приводит к кислородному голоданию и к замедлению окислительных процессов в тканях.

В 1931 году доктор Отто Варбург получил Нобелевскую премию в области медицины, открыв одну из возможных причин возникновения рака. Он установил, что возможной причиной этого заболевания является недостаточный доступ кислорода к клетке.

Используя простые рекомендации, а также различные физические упражнения, можно повысить доступ кислорода к тканям.

  • Правильное дыхание, при котором воздух, проходящий через воздухоносные пути, в достаточной степени согревается, увлажняется и очищается – это спокойное, ровное, ритмичное, достаточной глубины.
  • Во время ходьбы или выполнения физических упражнений следует не только сохранять ритмичность дыхания, но и правильно сочетать ее с ритмом движения (вдох на 2-3 шага, выдох на 3-4 шага).
  • Важно помнить, что потеря ритмичности дыхания приводит к нарушению газообмена в легких, утомлению и развитию других клинических признаков недостатка кислорода.
  • При нарушении акта дыхания уменьшается приток крови к тканям и понижается насыщение ее кислородом.

Необходимо помнить, что физические упражнения способствуют укреплению дыхательной мускулатуры и усиливают вентиляцию легких. Таким образом, от правильного дыхания в значительной мере зависит здоровье человека.

Сварка и резка металлов

Кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.

В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения.
Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).

Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0 литров под давлением до 15 МПа (150 атм) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания, для купирования приступа бронхиальной астмы, устранения гипоксии любого генеза, при декомпрессионной болезни, для лечения патологии желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей.

Крупные медицинские учреждения могут использовать не сжатый кислород в баллонах, а сжиженный в сосуде Дьюара большой ёмкости. Для индивидуального применения медицинским кислородом из баллонов заполняют специальные прорезиненные ёмкости — кислородные подушки.

Для подачи кислорода или кислородо-воздушной смеси одновременно одному или двум пострадавшим в полевых условиях или в условиях стационара применяются кислородные ингаляторы различных моделей и модификаций. Достоинством кислородного ингалятора является наличие конденсатора-увлажнителя газовой смеси, использующего влагу выдыхаемого воздуха.

Для расчёта оставшегося в баллоне количества кислорода в литрах обычно величину давления в баллоне в атмосферах (по манометруредуктора) умножают на величину ёмкости баллона в литрах. Например, в баллоне вместимостью 2 литра манометр показывает давление кислорода 100 атм.

В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE948[26], как пропеллент и упаковочный газ.

В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах, например, окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кислоты), диоксид серы в триоксид серы, аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты.

В тепличном хозяйстве для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.

Токсические производные кислорода

Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие, как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами.

Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.

Увеличение удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, работающих на топливе кислород керосин, методом добавки водорода в камеру сгорания

УДК 621.455: 629.764 DOI: 10.18698/2308-6033-2022-11-1935

Увеличение удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, работающих на топливе кислород керосин, методом добавки водорода в камеру сгорания

© С.А. Орлин1, А.В. Орлов2

1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия 2АО «РЭМ Инжиниринг», Москва, 109147, Россия

Проведенные в МГТУ им. Н.Э. Баумана исследования направлены на выявление возможности увеличения удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, использующих топливо кислород керосин. Рассмотрены теоретические исследования по увеличению удельного импульса двигателей первой ступени методом добавления водорода в топливо и непосредственно в камеру сгорания. Проведен термодинамический анализ, согласно которому установлена зависимость увеличения удельного импульса от массы добавленного водорода. Следовательно, появляется возможность использования одного и того же двигателя для первой и второй ступеней ракеты-носителя, что значительно упрощает и удешевляет применение всей ракетной системы.

Ключевые слова: топливо, водород, кислород, керосин, удельный импульс, ракетный двигатель, пневмогидравлическая схема

Введение. Предназначенные для исследования космоса современные ракеты-носители представляют собой системы, собранные из отдельных блоков (ступеней) по схеме «тандем» или «пакет», с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), работающими на химическом топливе [1-3]. Таковы, например, созданные в СССР ракеты Р-7 и УР-500. В настоящее время используются их модификации «Союз-2» и «Протон».

Перечислим требования, предъявляемые к ЖРД:

1) высокий удельный импульс на Земле — 1З и в пустоте — /уд.п;

2) высокая плотность используемых компонентов, которая обусловливает объем топливного бака, а значит, размеры и массу ракеты-носителя;

3) обеспечение экологической безопасности для окружающей среды при старте с поверхности Земли, когда продукты сгорания, выходящие из сопла ЖРД, попадают в атмосферу.

Наиболее используемыми видами топлива в настоящее время являются кислород керосин и кислород водород (табл. 1). Удельный импульс ЖРД, работающих на топливе кислород водород, примерно на 30 % выше, чем на топливе кислород керосин. Вслед-

ствие низкой плотности водорода топливо кислород водород используется для второй ступени, а топливо кислород керосин — для первой ступени.

Таблица 1

Свойства химического топлива

Параметр НДМГ* N204** Керосин* О2** Н2* О2** Н2* Р2** сн4* 02**

Тип двигателя РД-257 РД-270 РД-57 РД-0120 РД-350 РД-190

Плотность р, г/см3 0,9 1,44 0,83 1,44 0,07 1,44 0,07 1,5 0,43 1,44

Температура жидкой фазы Тк, К 298 294 298 90 20 90 20 85 110 90

°с 25 21 25 -183 -253 -183 -253 -188 -163 -183

Молярная масса ц, г/моль 24 22 13,7 16 22

Удельная теплота сгорания топлива 2, кДж/кг 6000 9200 13 400 — —

Оптимальное соотношение компонентов кт 2,67 2,6 6,0 16,2 3,4

Сила тяги в пустоте рп, тс (1 тс = 9,8 кН) 15,7 740 44 204 10 100

Давление в камере сгорания рк.с, МПа 15,7 24,5 11,5 22 7,8 14,7

Температура в камере сгорания Тк.с, К 3300 3800 3300 4600 3650

Удельный импульс, с на Земле /з 287 309 461 464 309

в пустоте /удп 316 337 446 — 351

Плотность топлива рт, г/см3 1,2 1 0,37 0,34 0,66 0,85

•Горючее; ** окислитель.

Цель проводимых расчетных исследований — выявить возможности увеличения удельного импульса ЖРД, использующего в качестве топлива керосин. Для увеличения удельного импульса непосредственно в камеру сгорания двигателя, работающего на топливе кислород керосин, вводили разное количество водорода. По полученным результатам разработана принципиальная пневмогидрав-лическая схема ЖРД, использующего в качестве топлива водород кислород, кислород керосин и водород.

Критерии оценки эффективности топлива. Одним из основных критериев оценки эффективности топлива ЖРД является удельный импульс /уд, который определяется по уравнению

2 -^г-^к.с

к -1

к-1

1 —

к.с

где Яг — газовая постоянная продуктов сгорания; Ткс — температура продуктов сгорания в камере сгорания; к — показатель тепло-обменного процесса в камере сгорания; ра — давление на срезе сопла; ркс — давление в камере сгорания.

В этой формуле величина 1уд в основном определяется по параметрам использованного топлива: теплопроизводительности Ткс и молекулярной массе д, которые влияют на величину газовой посто-К*

янной Кг =—, где К* — универсальная газовая постоянная. Дг

Теплопроизводительность топлива определяет температуру в камере сгорания. Температура для продуктов сгорания в камере двигателя для разных видов топлива изменяется в пределах 3300…3800 К, а значение молекулярной массы — от 14 до 24 г/моль. Значение К смеси продуктов сгорания обратно пропорционально значению д смеси. Поэтому удельный импульс для топлива кислород водород (см. табл. 1) на 30 % выше, чем для топлива кислород керосин.

Продукты сгорания топлива кислород водород — это экологически чистые газы, состоящие в основном из паров воды, чего нельзя сказать о топливе, содержащем фтор.

Работы по использованию фтора для ЖРД были закрыты, хотя по удельному импульсу топливо фтор водород превосходило топливо кислород водород. Однако в случае аварии ракетоносителя, использующего такое топливо, произошла бы экологическая катастрофа.

С точки зрения массовых характеристик ракетной системы и, соответственно, размеров большое значение имеет плотность топлива, определяющая объем и размер бака. Поэтому введено понятие условной плотности топлива рт, которая зависит от плотности окислителя ро, плотности горючего рг и соотношения компонентов по массе кт:

1 кт

г 1 л гк лт

1

ург у Ч^о у

Величина рт дает возможность сравнить массовые характеристики различных видов топлива, используемых для работы ЖРД.

Низкая плотность водорода является основным недостатком топлива кислород водород и ограничивает его применение.

Повышенные требования предъявляются к герметизации баков, трубопроводов и другого оборудования водородных систем, обеспечивающих абсолютную изоляцию от воздуха, с которым водород образует взрывоопасную смесь, в отличие от кислорода, воспламеняющегося от притока тепла или контакта с органическими веществами.

Недостатком водорода, как и кислорода, является низкая температура, необходимая для обеспечения пребывания обоих компонентов в жидкой фазе. Хотя существуют разные способы термоизоляции

криогенных систем, вопрос исключения притока тепла к криогенным системам не удается решить без применения специальных мер.

Топливо, использующее в качестве окислителя кислород, относится к несамовоспламеняющимся компонентам, для воспламенения которых требуются запальные устройства, усложняющие процесс запуска, что снижает их надежность.

Имеется возможность разработки новых схем ЖРД: безгенераторной и трехкомпонентной.

Анализ результатов термодинамических расчетов. Влияние добавок, вводимых в разные виды ракетного топлива для повышения удельного импульса, исследовалось как на предприятиях, изготавливающих ЖРД [4, 5], так и в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Ракетные двигатели» [6]. Эти работы заключались в термодинамических расчетах продуктов сгорания и анализе полученных результатов.

В качестве исходного ЖРД был взят двигатель с рк = 10 МПа (первая ступень ракеты-носителя), работающий на топливе кислород керосин. Параметры двигателя были рассчитаны при разном количестве добавок водорода: 1.. .12 % массы секундного расхода топлива (табл. 2, рис. 1, 2).

Таблица 2

Свойства продуктов сгорания топлива кислород керосин при добавлении водорода (расчет проведен по программе «Астра-4»1)

Добавление водорода, % (мас.) Удельный импульс в пустоте /уд.п, м/с Молекулярная масса ц, г/моль Удельная газовая постоянная Я, Дж/(кг • К) Температура в камере сгорания Тк.с, К

1 3485 23,3 3565 3763

2 3580 21,9 3804 3729

3 3744 19,7 4222 3769

4 3814 18,8 4417 3659

5 3880 17,5 4594 3643

6 3940 17,0 4752 3629

7 3990 16,4 4912 3616

8 4043 16,0 5055 3605

9 4090 15,5 5192 3596

10 4133 15,3 5319 3587

11 4174 15,0 5439 3579

12 4247 14,7 5553 3572

1 О программе см.: Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах «Астра-4». Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991, 40 с.

450

2 4 6 8 Добавление Н2, % (мае.)

Рис. 1. Зависимость удельного импульса /уд.п ЖРД в пустоте от добавления водорода

24

а 23

| 22 и =£21

§20 » 19

§

|18 I17

и § 16

* 15

14

]

2 4 6 8 10 Добавление Н2, % (мае.)

12

Рис. 2. Зависимость молекулярной массы д топлива от добавления водорода

Анализ результатов показал, что добавление водорода не оказывает существенного влияния на температуру продуктов сгорания, но влияет на молекулярную массу д и тем самым на значение газовой постоянной Я. Это приводит к повышению удельного импульса с ~350 до ~450 с [7-10]. Он возрастает с увеличением массы водорода, используемого в качестве добавки к топливу. Сколько можно добавить водорода — зависит от ракеты-носителя, на которой будет установлен рассматриваемый ЖРД, а также от массовых характеристик всей ракетной системы. Предполагается, что оптимальным может быть добавление водорода в количестве 6 % относительно секундного расхода топлива.

На основании этого эффекта в конце XX в. был разработан трех-компонентный двигатель, предназначенный для работы в двух режимах. Первый режим — использование для первой ступени ракеты-носителя (летательного аппарата) топлива кислород керосин с добавлением водорода, второй режим — топлива кислород водород.

Такая схема имеет следующие преимущества:

1) добавление водорода для первого режима повышает удельный импульс;

2) использование одного и того же двигателя для первой и второй ступеней приводит к уменьшению массовых характеристик всей ракетной системы и, как следствие, к уменьшению элементов двигательной установки и повышению надежности;

3) смена режимов ЖРД происходит при подъеме ракеты-носителя на высоту, т. е. в условиях изменения давления окружающей среды (величина ра — давление на срезе сопла), что при истечении газов двигателя может привести к появлению нежелательных эффектов (как минимум к уменьшению удельного импульса), устраняемых с помощью выдвижного насадка (рис. 3), используемого в настоящее время для ракет-носителей Atlas V.

Рис. 3. Первая (а) и вторая (б) ступени ЖРД:

а — ра = 0,05 МПа (первый режим); б — ра = 0,005 МПа (второй режим)

Рассматриваемая схема ЖРД является замкнутой — с дожиганием генераторного газа после турбины в камере сгорания двигателя, поэтому в зависимости от типа генераторного газа, используемого для привода турбонасосного агрегата (ТНА) возможны три варианта схемы: окислительная, восстановительная и газ — газ. С точки зрения изученных процессов для разработки реального варианта наиболее приеммлемой считается окислительная схема (для привода ТНА работает генераторный газ с избытком окислителя) (рис. 4).

а

б

Жидкий Жидкий

Керосин УВГ кислород водород

Рис. 4. Принципиальная пневмогидравлическая схема трехкомпонентного двухре-жимного ЖРД (схема окислительная; топливо: окислитель на обоих режимах — жидкий кислород, горючее на первом режиме — керосин с добавлением водорода,

на втором режиме — водород):

1 — камера двигателя; 2 — турбонасосный агрегат подачи кислорода и керосина в камеру двигателя; 3 — турбонасосный агрегат подачи водорода в камеру двигателя; 4 — насос кислорода; 5, 6 — насосы керосина (5 — основной, 6 — подкачивающий); 7 — турбина; 8 — двухступенчатый насос водорода; 9 — турбина; 10 — газогенератор для турбонасосного агрегата 2; 11 — газогенератор для турбонасосного агрегата 3; 12,13 — регуляторы расхода керосина в газогенераторах 10, 11; 14 — регулятор расхода водорода в камере двигателя;

15,16 — пускоотсечные нормальнозакрытые клапаны с пневмоприводами

Рассмотрим принцип работы схемы. Схема ЖРД — замкнутая, однокамерная 1, работает в двух режимах. На первом режиме топливо: окислитель — жидкий кислород, горючее — керосин с добавлением водорода. На втором режиме топливо: жидкие кислород и водород; ТНА конструктивно выполнен в виде двух отдельных агрегатов 2 и 3.

Для привода ТНА газ, идущий из газогенераторов 10 и 11 и дожигаемый в камере сгорания двигателя, имеет избыток кислорода.

Охлаждение камеры сгорания двигателя на первом и втором режимах осуществляется водородом, используемым на первом режиме в качестве добавки к керосину. Количество водорода, идущего в камеру сгорания двигателя, регулируется с помощью регулятора 14.

Количество керосина, попадающего в газогенераторы, регулируется с помощью регуляторов 12 и 13.

На втором режиме закрывается пускоотсечный клапан 15, прекращается доступ керосина в камеру сгорания двигателя. Керосин на втором режиме используется только для привода турбин ТНА. Одновременно срабатывает пускоотсечной клапан 16 и весь водород через регулятор 14 направляется в камеру сгорания двигателя.

Переход с одного режима на другой сопровождается изменением параметров ЖРД, в частности давления в камере сгорания двигателя. Возникает необходимость изменить мощность ТНА. Это достигается перераспределением потребляемой мощности ТНА и количества водорода, идущего в камеру сгорания двигателя, за счет использования регуляторов 12, 13 на линии питания керосином газогенераторов и регулятора 14, установленного на линии питания водородом камеры сгорания двигателя.

Выводы

1. Использование добавок водорода к топливу кислород керосин повышает удельный импульс ЖРД в зависимости от массы добавляемого водорода.

2. На основании эффекта увеличения удельного импульса при использовании добавки водорода возможна разработка трехкомпо-нентного ЖРД, работающего на двух режимах в качестве первой и второй ступеней ракеты-носителя.

3. Реализация представленной схемы ЖРД дает возможность улучшить характеристики двигательной установки, упростить конструкцию двигателя и значительно уменьшить стоимость ракеты-носителя.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Шустов И.Г., сост. Двигатели 1944-2000 гг.: авиационные, ракетные, морские, промышленные. Иллюстрированный справочник. Сер. Отечественная авиация и ракетно-космическая техника. Москва, АКС «Корвенсат», 2000, с. 346-365.

[2] Гахун Г.Г. Конструкция и проектирование ЖРД. Москва, Машиностроение, 1989, 424 с.

[3] Уманский С. Ракеты-носители. Космодромы. Москва, Рестарт, 2001, с. 183-190.

[4] Чванов В.К. Возможности совершенствования характеристик ЖРД при использовании гелия в качестве топливной добавки. Тр. НПО «Энергомаш» № 21. Москва, 2003, с. 26-33.

[5] Основные результаты исследований трехкомпонентного газогенератора для перспективных двигателей. Научно-технический сборник. Москва, КБ Химавтоматика, 2022, с. 380-388.

[6] Орлин С.А. Возможности совершенствования характеристик ЖРД при использовании нейтрального газа гелия в различные топлива. Инженерный журнал: наука и инновация, 2022, вып. 4 (16).

DOI: 10.18698/2308-5033-2022-4-497

[7] Каторгин Б.И., Чванов В.К., Васин А.А., Каменский С.Д. Двухрежимный двигатель на трехкомпонентном топливе для аэрокосмических систем и ракет-носителей нового поколения. Тр. НПО «Энергия». Москва, 2022, с. 154-173.

[8] Гусев В.И., Семенов В.И., Стороженко И.Г. Трехкомпонентный двухрежимный маршевый двигатель для ракет-носителей. Международный научный журнал «Альтернативная энергия и экология», 2008, № 3, с. 36-41.

[9] Рахманин В.Ф., Судаков В.С. Разработка трехкомпонентного двухре-жимного двигателя. История развития отечественных ракетно-космических двигателей. Т. 5. Москва, Столичная энциклопедия, 2022, с. 310-312.

[10] Орлов В.А. Схемы трехкомпонентного двухрежимного ЖРД, использующего топливо: окислитель О2, горючее керосин и водород. XXXI Академические чтения по космонавтике. Сб. тр. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007, т. 2, с. 60-62.

Статья поступила в редакцию 05.10.2022

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:

Орлин С.А., Орлов А.В. Увеличение удельного импульса жидкостных ракетных двигателей, работающих на топливе кислород керосин, методом добавки водорода в камеру сгорания. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 11. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-11-1935

Орлин Сергей Андреевич — канд. техн. наук, доцент кафедры «Ракетные двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана. e-mail: Chpvos@yandex.ru

Орлов Александр Владимирович — ведущий инженер АО «РЭМ Инжиниринг». e-mail: trem@trem.ru

Increasing the specific impulse of liquid oxygen kerosene rocket engines by introducing hydrogen into the combustion chamber

© S.A. Orlin1, A.V. Orlov2

1 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russia 2 REM Engineering JSC, Moscow, 109147, Russia

The investigation carried out at the Bauman Moscow State Technical University is aimed at establishing whether it may be possible to increase the specific impulse of liquid oxygen kerosene rocket engines. It involved analytical studies of increasing specific impulse by introducing hydrogen into the oxygen/kerosene propellant. We confirm that, in the case of the oxygen/kerosene propellant used in the first stage engines, introducing hydrogen into the combustion chamber may increase its specific impulse. The results of our thermodynamic analysis show that the specific impulse increase is a function of the mass of hydrogen introduced. This enables the same engine type to be used for the first and second stages of a launch vehicle, which makes the whole system considerably less expensive and more reliable.

Keywords: fuel, hydrogen, oxygen, kerosene, specific impulse, rocket engine, pneumohy-draulic design

REFERENCES

[1] Shustov I.G., ed. Dvigateli 1944-2000. Seriya Otechestvennaya aviatsiya i raketno-kosmicheskaya tekhnika [Engines 1944-2000. Ser. Russian aviation and aerospace technology]. Moscow, AKS-Konversalt Publ., 2000, pp. 346-365.

[2] Gakhun G.G. Konstruktsiya i proektirovanie ZhRD [Design and development of liquid rocket engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989, 424 p.

[3] Umanskiy S. Rakety-nositeli, kosmodromy. Rakety-nositeli evropeyskogo kosmicheskogo agentstva [Launch vehicles, spaceports. Launch vehicles of the European Space Agency]. Moscow, Restart Publ., 2001, pp. 183-190.

[4] Chvanov V.K. Vozmozhnosti sovershenstvovaniya kharakteristik ZhRD pri ispolzovanii geliya v kachestve toplivnoy dobavki [Potential improvement of liquid rocket engine characteristics when using helium as a fuel additive]. Tr. NPO Energomash, no. 21 [Proc. of S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energomash]. Moscow, 2003, pp. 26-33.

[5] Osnovnye rezultaty issledovaniy trekhkomponentnogo gazogeneratora dlya perspektivnykh dvigateley. Nauchno-tekhnicheskiy sbornik [Main results of investigating a three-component gas generator for promising engines. Proc.]. Moscow, JSC KBKhA Publ., 2022, pp. 380-388.

[6] Orlin S.A. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii — Engineering Journal: Science and Innovation, 2022, iss. 4 (16). DOI: 10.18698/2308-5033-2022-4-497

[7] Katorgin B.I., Chvanov V.K., Vasin A.A., Kamenskiy S.D. Dvukhrezhimnyy dvigatel na trekhkomponentnom toplive dlya aerokosmicheskikh sistem i raket-nositeley novogo pokoleniya [A dual-mode tripropellant engine for aerospace system and next-generation launch vehicles]. Tr. NPO Energiya [Proc. of S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia]. Moscow, 2022, pp. 154-173.

[8] Gusev V.I., Semenov V.I., Storozhenko I.G. Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal Alternativnaya energiya i ekologiya — International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2008, no. 3, pp. 36-41.

[9] Rakhmanin V.F., Sudakov V.S. Razrabotka trekhkomponentnogo dvukhrezhimnogo dvigatelya [Development of a dual-mode tripropellant engine]. Istoriya razvitiya otechestvennykh raketno-kosmicheskikh dvigateley [History of Russian aerospace engines]. Vol. 5. Moscow, Stolichnaya Entsiklopediya Publ., 2022, pp. 310-312.

[10] Orlov V.A. Skhemy trekhkomponentnogo dvukhrezhimnogo ZhRD, ispolzuyushchego toplivo: okislitel 02, goryuchee kerosin i vodorod [Schematics of a dual-mode tripropellant engine using propellant consisting of oxygen as oxydiser and kerosene and hydrogen as fuel]. Sb. tr. XXXI Akademicheskie chteniya po kosmonavtike [Proc. of 31st Academic Readings on Cosmonautics]. Moscow, Bauman Moscow State Technical University, 2007, vol. 2, pp. 60-62.

Orlin S.A., Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Professor, Department of Rocket Engines, Bauman Moscow State Technical University. e-mail: Chpvos@yandex.ru

Orlov A.V., Leading Engineer, REM Engineering JSC. e-mail: trem@trem.ru

Физические свойства

При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.

1 л его при нормальных условиях имеет массу 1,429 г., то есть немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 0 °C,2,09 мл/100 г при 50 °C) и спирте(2,78 мл/100 г при 25 °C).

Межатомное расстояние — 0,12074 нм. Является парамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом.

При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы, концентрация диссоциированных атомов в смеси при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %.

Жидкий кислород кипит под давлением 101,325 кПа при температуре −182,98 °C и представляет собой бледно-голубую жидкость. Критическая температура кислорода 154,58 К (-118,57 °C), критическое давление 4,882 МПа[17].

Твёрдый кислород (температура плавления −218,35 °C) — синие кристаллы.

Известны 6 кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:

    α2 — существует при температуре ниже 23,65 K; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейкиa=5,403 Å,b=3,429 Å,c=5,086 Å;β=132,53°[18].β-O2 — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 K; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å,α=46,25°[18].γ-O2 — существует при температурах от 43,65 до 54,21 K; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å[18].

Ещё три фазы существуют при высоких давлениях:

Фториды кислорода

2F2 2NaOH⟶2NaF H2O OF2↑{displaystyle {ce {2F2 2NaOH -> 2NaF H2O OF2 ^}}}
F2 O2⟶O2F2{displaystyle {ce {F2 O2 -> O2F2}}}

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2 и O3 (озон). Как установили в 1899 годуПьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O2 переходит в O3[23][24].

Химические свойства

Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона, фтора (с фтором кислород образует фторид кислорода, так как фтор более электроотрицателен, чем кислород).

4Li O2⟶2Li2O{displaystyle {ce {4Li O2 -> 2Li2O}}}
2Sr O2⟶2SrO{displaystyle {ce {2Sr O2 -> 2SrO}}}

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:

2NO O2⟶2NO2↑{displaystyle {ce {2NO O2 -> 2NO2 ^}}}

Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:

2C6H6 15O2⟶12CO2 6H2O{displaystyle {ce {2C6H6 15O2 -> 12CO2 6H2O}}}
CH3CH2OH 3O2⟶2CO2 3H2O{displaystyle {ce {CH3CH2OH 3O2 -> 2CO2 3H2O}}}

При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:

CH3CH2OH O2⟶CH3COOH H2O{displaystyle {ce {CH3CH2OH O2 -> CH3COOH H2O}}}

Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета.

Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже #Фториды кислорода).

Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

2Na O2⟶Na2O2{displaystyle {ce {2Na O2 -> Na2O2}}}
2BaO O2⟶2BaO2{displaystyle {ce {2BaO O2 -> 2BaO2}}}
H2 O2⟶H2O2{displaystyle {ce {H2 O2 -> H2O2}}}
Na2O2 O2⟶2NaO2{displaystyle {ce {Na2O2 O2 -> 2NaO2}}}
K O2⟶KO2{displaystyle {ce {K O2 -> KO2}}}
3KOH 3O3⟶2KO3 KOH⋅H2O 2O2↑{displaystyle {ce {3KOH 3O3 -> 2KO3 KOH * H2O 2O2 ^}}}
PtF6 O2⟶O2PtF6{displaystyle {ce {PtF6 O2 -> O2PtF6}}}

В этой реакции кислород проявляет восстановительные свойства.

Электролиз водных растворов

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза разбавленных водных растворов щелочей, кислот и некоторых солей (сульфатов, нитратов щелочных металлов):

2H2O→e−2H2↑ O2↑{displaystyle {ce {2H2O ->[e^-] 2H2 ^ O2 ^}}}
Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий