Главная » История » Пиротехнический состав для получения кислорода. Рецензия на «Живое. Что такое кислородная свеча

Пиротехнический состав для получения кислорода. Рецензия на «Живое. Что такое кислородная свеча

Изобретение относится к генераторам кислорода для дыхания и может быть использовано в дыхательных аппаратах индивидуального пользования, применяемых в аварийных ситуациях, например при тушении пожаров. С целью снижения скорости генерации кислорода и повышения надежности при длительной работе пирохимичекий генератор кислорода, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженные выходным патрубком для кислорода, имеет блоки твердого источника кислорода в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния. Переходные воспламенительные элементы готовят из смеси пероксида кальция с магнием и в виде таблетки впрессовывают либо в торец, либо в боковую грань бока, а сами блоки укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к генераторам кислорода для дыхания и может быть использовано в дыхательных аппаратах индивидуального пользования, применяемых в аварийных ситуациях, например при тушении пожаров. Пирохимический генератор кислорода представляет собой устройство, состоящее из корпуса, внутри которого размещаются состав, способный выделять кислород за счет самораспространяющего пирохимического процесса кислородная свеча, запальное устройство для инициирования горения свечи, фильтрующая система для очистки газа от посторонних примесей и дыма, теплоизоляция. Через выходной патрубок по трубопроводу кислород поступает к месту потребления. В большинстве известных кислородных генераторов свеча изготовляется в виде моноблока цилиндрической формы. Время горения такой свечи не превышает 15 мин. Более длительная работа генератора достигается использованием нескольких блоков (элементов), укладываемых так, чтобы они соприкасались торцами. Когда заканчивается горение одного блока, тепловой импульс инициирует горение следующего элемента свечи и так до полного израсходования. Для более надежного воспламенения в торец принимаемого импульс элемента впрессован промежуточный воспламенительный пиротехнический состав, обладающий большей энергетикой и большей чувствительностью к тепловому импульсу, чем основной состав свечи. Известные пирохимические генераторы кислорода работают на хлоратных свечах термокаталитического типа, содержащих хлорат натрия, пероксид бария, железо и связующие добавки, или хлоратных свечах каталитического типа, состоящих из хлората натрия и катализатора, например оксида или пероксида натрия или калия Известные химические генераторы выделяют кислород со скоростью не менее 4 л/мин, что в несколько раз превышает физиологическую потребность человека. На известных составах более низкую скорость генерации кислорода не удается получить. При уменьшении диаметра блока свечи, т.е. площади горящего фронта, что могло бы привести к снижению скорости, свеча теряет способность к горению. Для сохранения работоспособности свечи требуется изменение энергетики за счет увеличения доли горючего в составе, что приводит к повышению скорости горения и соответственно к увеличению скорости выделения кислорода. Известен генератор содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему в металлическом корпусе с выходным патрубком для кислорода. Кислородная свеча в этом генераторе имеет состав из хлората натрия и оксида и пероксида натрия и состоит из отдельных цилиндрических блоков, контактирующих между собой торцами. Переходные воспламенительные элементы впрессованы в торец каждого блока и имеют состав из алюминия и оксида железа. Часть блоков имеет изогнутую форму, что создает возможность укладки их по П-образной, U-образной линии, по спирали и т.п. Из-за высокой скорости генерации кислорода увеличивается суммарный вес кислородной свечи, необходимый для обеспечения длительной работы генератора. Например, для работы генератора прототипа в течение 1 ч требуется свеча весом около 1,2 кг. Высокая скорость генерации приводит также к необходимости усиления теплоизоляции, что также связано с дополнительным увеличением веса генератора. Изогнутые (угловые) блоки сложны в изготовлении и имеют низкую механическую прочность: легко ломаются в месте изгиба, что приводит к прекращению горения на изломе, т.е. понижают надежность длительной непрерывной работы генератора. Цель изобретения снижение скорости генерации кислорода и повышение надежности при длительной работе генератора. Это достигается тем, что пирохимический генератор кислорода, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженный выходным патрубком для кислорода, имеет блоки твердого источника кислорода в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния; переходные воспламенительные элементы готовят из смеси пероксида кальция с магнием и в виде таблетки впрессовывают либо в торец, либо в боковую грань блока, а сами блоки укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое. На фиг.1 представлен пирохимический генератор, общий вид. Генератор имеет металлический корпус 1, в торце которого расположено инициирующее устройство 2. На верхней грани корпуса имеется патрубок 3 для выхода кислорода. Блоки 4 твердого источника кислорода уложены слоями и изолированы друг от друга и от стенок корпуса прокладками 5 из пористой керамики. По всей поверхности верхнего слоя блоков и верхней грани корпуса размещены металлические сетки 6, между которыми находится многослойный фильтр 7. На фиг. 2 показана схема укладки одного слоя блоков твердого источника кислорода в генераторе. Использованы блоки двух типов -- длинные 4 с впрессованной переходной воспламенительной таблеткой 9 в торце блока и короткие 8 с переходной воспламенительной таблеткой в боковой стенке. Генератор приводится в действие при включении инициирующего устройства 2, от которого воспламеняется зажигающий состав 10 и загорается первый блок свечи. Фронт горения движется по телу свечи непрерывно, переходя с блока на блок в местах контакта через переходные воспламенительные таблетки 9. В результате горения свечи выделяется кислород. Образующийся поток кислорода проходит через поры керамики 5, при этом частично охлаждается и поступает в систему фильтров. Проходя через металлические сетки и фильтры, дополнительно охлаждается и освобождается от нежелательных примесей и дыма. Через патрубок 3 выходит чистый кислород, пригодный для дыхания. Скорость генерации кислорода в зависимости от предъявляемых требований можно изменять в пределах от 0,7 до 3 л/мин, меняя состав твердого источника кислорода в весовом отношении NaClO 4 СaO 2 Mg 1 (0,20-0,24) (0,04-0,07) и состав воспламенительных элементов СаО 2 Mg в весовом отношении 1 (0,1-0,2). Горение одного слоя блоков твердого источника кислорода продолжается 1 ч. При необходимости более длительной работы горение передается с помощью короткого блока 11 на следующий слой, расположенный параллельно первому и т.д. Суммарный вес элементов свечи на один час горения составляет 300 г; общее тепловыделение около 50 ккал/ч. В предлагаемом генераторе кислородная свеча в форме параллелепипедных элементов упрощает соединение их друг с другом и позволяет осуществить плотную и компактную упаковку. Жесткое закрепление и исключение подвижности параллелепипедных блоков обеспечивает сохранность их при транспортировке и использовании в составе дыхательного аппарата, и таким образом повышается надежность длительной работы генератора.

Формула изобретения

1. ПИРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР КИСЛОРОДА, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженный выходным патрубком для кислорода, отличающийся тем, что блоки твердого источника кислорода выполнены в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния, переходных воспламенительных элементов - смеси пероксида кальция с магнием и расположены в торце или боковой грани блока. 2. Генератор кислорода по п. 1, отличающийся тем, что блоки твердого источника кислорода укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое.

Кислородная свеча - это устройство которое при помощи химической реакции позволяет получить кислород пригодный для потребления живыми организмами. Разработана технология группой ученых из России и Нидерландов. Широко используется спасательными службами многих стран, также самолетах, космических станциях вроде МКС. Главные достоинства этой разработки это компактность и легкость.

Кислородная свеча в космосе

На борту МКС кислород является очень важным ресурсом. Но что будет если во время аварии или при случайной поломке перестанут работать системы жизнеобеспечения, в том числе система подачи кислорода? Все живые организмы на борту просто не смогут дышать и умрут. Поэтому специально для таких случаев на в космонавтов присутствует довольно внушительный запас химических кислородных генераторов, если говорить проще то это кислородные свечи . Как работает и использование подобного устройства в космосе, в общих чертах показали в фильме «Живое».

Откуда берется кислород в самолете

В самолетах также используют кислородные генераторы на химической основе . Если борт будет разгерметизирован или случится другая поломка, возле каждого пассажира выпадает кислородная маска. Маска будет вырабатывать кислород в течение 25 минут, после чего химическая реакция остановится.

Как работает?

Кислородная свеча в космосе состоит из перхлората калия или хлората. В самолетах используют в большинстве случаев перекись бария или хлорат натрия. Также присутствует генератор зажигания и фильтр для охлаждения и очистки от других не нужных элементов.

Изобретение относится к генераторам кислорода для дыхания и может быть использовано в дыхательных аппаратах индивидуального пользования, применяемых в аварийных ситуациях , например при тушении пожаров. С целью снижения скорости генерации кислорода и повышения надежности при длительной работе пирохимичекий генератор кислорода, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженные выходным патрубком для кислорода, имеет блоки твердого источника кислорода в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния. Переходные воспламенительные элементы готовят из смеси пероксида кальция с магнием и в виде таблетки впрессовывают либо в торец, либо в боковую грань бока, а сами блоки укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Пирохимический генератор кислорода представляет собой устройство, состоящее из корпуса, внутри которого размещаются состав, способный выделять кислород за счет самораспространяющего пирохимического процесса кислородная свеча, запальное устройство для инициирования горения свечи, фильтрующая система для очистки газа от посторонних примесей и дыма, теплоизоляция. Через выходной патрубок по трубопроводу кислород поступает к месту потребления.

В большинстве известных кислородных генераторов свеча изготовляется в виде моноблока цилиндрической формы. Время горения такой свечи не превышает 15 мин. Более длительная работа генератора достигается использованием нескольких блоков (элементов), укладываемых так, чтобы они соприкасались торцами. Когда заканчивается горение одного блока, тепловой импульс инициирует горение следующего элемента свечи и так до полного израсходования. Для более надежного воспламенения в торец принимаемого импульс элемента впрессован промежуточный воспламенительный пиротехнический состав, обладающий большей энергетикой и большей чувствительностью к тепловому импульсу, чем основной состав свечи.

Известные пирохимические генераторы кислорода работают на хлоратных свечах термокаталитического типа, содержащих хлорат натрия, пероксид бария, железо и связующие добавки, или хлоратных свечах каталитического типа, состоящих из хлората натрия и катализатора, например оксида или пероксида натрия или калия Известные химические генераторы выделяют кислород со скоростью не менее 4 л/мин, что в несколько раз превышает физиологическую потребность человека. На известных составах более низкую скорость генерации кислорода не удается получить. При уменьшении диаметра блока свечи, т.е. площади горящего фронта, что могло бы привести к снижению скорости, свеча теряет способность к горению. Для сохранения работоспособности свечи требуется изменение энергетики за счет увеличения доли горючего в составе, что приводит к повышению скорости горения и соответственно к увеличению скорости выделения кислорода.

Известен генератор содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему в металлическом корпусе с выходным патрубком для кислорода. Кислородная свеча в этом генераторе имеет состав из хлората натрия и оксида и пероксида натрия и состоит из отдельных цилиндрических блоков, контактирующих между собой торцами. Переходные воспламенительные элементы впрессованы в торец каждого блока и имеют состав из алюминия и оксида железа. Часть блоков имеет изогнутую форму , что создает возможность укладки их по П-образной, U-образной линии, по спирали и т.п.

Из-за высокой скорости генерации кислорода увеличивается суммарный вес кислородной свечи, необходимый для обеспечения длительной работы генератора. Например, для работы генератора прототипа в течение 1 ч требуется свеча весом около 1,2 кг. Высокая скорость генерации приводит также к необходимости усиления теплоизоляции, что также связано с дополнительным увеличением веса генератора.

Изогнутые (угловые) блоки сложны в изготовлении и имеют низкую механическую прочность: легко ломаются в месте изгиба, что приводит к прекращению горения на изломе, т.е. понижают надежность длительной непрерывной работы генератора.

Цель изобретения снижение скорости генерации кислорода и повышение надежности при длительной работе генератора.

Это достигается тем, что пирохимический генератор кислорода, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженный выходным патрубком для кислорода, имеет блоки твердого источника кислорода в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния; переходные воспламенительные элементы готовят из смеси пероксида кальция с магнием и в виде таблетки впрессовывают либо в торец, либо в боковую грань блока, а сами блоки укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое.

На фиг.1 представлен пирохимический генератор, общий вид . Генератор имеет металлический корпус 1, в торце которого расположено инициирующее устройство 2. На верхней грани корпуса имеется патрубок 3 для выхода кислорода. Блоки 4 твердого источника кислорода уложены слоями и изолированы друг от друга и от стенок корпуса прокладками 5 из пористой керамики. По всей поверхности верхнего слоя блоков и верхней грани корпуса размещены металлические сетки 6, между которыми находится многослойный фильтр 7.

На фиг. 2 показана схема укладки одного слоя блоков твердого источника кислорода в генераторе. Использованы блоки двух типов -- длинные 4 с впрессованной переходной воспламенительной таблеткой 9 в торце блока и короткие 8 с переходной воспламенительной таблеткой в боковой стенке.

Генератор приводится в действие при включении инициирующего устройства 2, от которого воспламеняется зажигающий состав 10 и загорается первый блок свечи. Фронт горения движется по телу свечи непрерывно, переходя с блока на блок в местах контакта через переходные воспламенительные таблетки 9. В результате горения свечи выделяется кислород. Образующийся поток кислорода проходит через поры керамики 5, при этом частично охлаждается и поступает в систему фильтров. Проходя через металлические сетки и фильтры, дополнительно охлаждается и освобождается от нежелательных примесей и дыма. Через патрубок 3 выходит чистый кислород, пригодный для дыхания.

Скорость генерации кислорода в зависимости от предъявляемых требований можно изменять в пределах от 0,7 до 3 л/мин, меняя состав твердого источника кислорода в весовом отношении NaClO 4 СaO 2 Mg 1 (0,20-0,24) (0,04-0,07) и состав воспламенительных элементов СаО 2 Mg в весовом отношении 1 (0,1-0,2). Горение одного слоя блоков твердого источника кислорода продолжается 1 ч. При необходимости более длительной работы горение передается с помощью короткого блока 11 на следующий слой, расположенный параллельно первому и т.д. Суммарный вес элементов свечи на один час горения составляет 300 г; общее тепловыделение около 50 ккал/ч.

В предлагаемом генераторе кислородная свеча в форме параллелепипедных элементов упрощает соединение их друг с другом и позволяет осуществить плотную и компактную упаковку. Жесткое закрепление и исключение подвижности параллелепипедных блоков обеспечивает сохранность их при транспортировке и использовании в составе дыхательного аппарата, и таким образом повышается надежность длительной работы генератора.

2. Генератор кислорода по п. 1, отличающийся тем, что блоки твердого источника кислорода укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое.

КИСЛОРОД (лат Oxygenium, от греч. oxys кислый и gennao - рождаю) О, хим. элемент VI гр. периодич. системы, ат. н. 8, ат. м. 15,9994. Прир. К. состоит из трех стабильных изотопов: 16 О (99,759%), 17 О (0,037%) и 18 О (0,204%]. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома 2s 2 2p ; энергии ионизации О° : О + : О 2+ равны соотв. 13,61819, 35,118 эВ; электроотрицательность по Полингу 3,5 (наиб. электроотрицат. элемент после F); сродство к электрону 1,467 эВ; ковалентный радиус 0,066 нм. Молекула К. двухатомна. Существует также аллотропная модификация К. озон О 3 . Межатомное расстояние в молекуле О 2 0,12074 нм; энергия ионизации О 2 12,075 эВ; сродство к электрону 0,44 эВ; энергия диссоциации 493,57 кДж/моль, константа диссоциации К р =p O 2 /p O2 составляет 1,662 . 10 -1 при 1500 К, 1,264 . 10 -2 при 3000 К, 48,37 при 5000 К; ионный радиус О 2 (в скобках указаны координац. числа) 0,121 нм (2), 0,124 нм (4), 0,126 нм (6) и 0,128 нм (8). В основном состоянии (триплетное) два валентных электрона молекулы О 2 , находящиеся на разрыхляющих орбиталях p х и p у, не спарены, благодаря чему К. парамагнитен (единств, парамагнитный газ, состоящий из гомоядерных двухатомных молекул); молярная магн. восприимчивость для газа 3,4400 . 10 (293 К), изменяется обратно пропорционально абс. т-ре (закон Кюри). Существуют два долгоживущих возбужденных состояния О 2 - синглетное 1 D g (энергия возбуждения 94,1 кДж/моль, время жизни 45 мин) и синглетное (энергия возбуждения 156,8 кДж/моль). К.-наиб. распространенный элемент на Земле. В атмосфере содержится 23,10% по массе (20,95% по объему) своб. К., в гидросфере и литосфере - соотв. 85,82 и 47% по массе связанного К. Известно более 1400 минералов, в состав к-рых входит К. Убыль К. в атмосфере в результате окисления, в т. ч. горения, гниения и дыхания, возмещается выделением К. растениями при фотосинтезе. К. входит в состав всех в-в, из к-рых построены живые организмы; в организме человека его содержится ок. 65%. Свойства. К.-бесцв. газ без запаха и вкуса. Т. кип. 90,188 К, т-ра тройной точки 54,361 К; плотн. при 273 К и нормальном давлении 1,42897 г/л, плотн. (в кг/м 3) при 300 К: 6,43 (0,5 МПа), 12,91 (1 МПа), 52,51 (4 МПа); t крит 154,581 К, р крит 5.043 МПа, d крит 436,2 кг/м 3 ; С 0 p 29,4 Дж/(моль . К); D H 0 исп 6,8 кДж/моль (90,1 К); S O 299 205,0 ДжДмоль . . К) при 273 К; h 205,2 3 10 -7 Па. с (298 К). Жидкий К. окрашен в голубой цвет; плотн. 1,14 г/см 3 (90,188 К); C O p 54,40 Дж/(моль . К); теплопроводность 0,147 ВтДм . К) (90 К, 0,1 МПа); h 1,890 . 10 -2 Па. с; g 13,2 . 10 -5 Н/м (90 К), ур-ние температурной зависимости g =-38,46 . 10 -3 (1 - T/154,576) 11/9 Н/м; n D 1,2149 (l =546,1 нм; 100 К); неэлектропроводен; молярная магн. восприимчивость 7,699 . 10 -3 (90,1 К). Твердый К. существует в неск. кристаллич. модификациях. Ниже 23,89 К устойчива а-форма с объемноцентрир. ром-бич, решеткой (при 21 К и 0,1 МПа а = 0,55 нм, b= 0,382 нм, с=0,344 нм, плотн. 1,46 г/см 3), при 23,89-43,8 К- b -форма с гексаген, кристаллич. решеткой (при 28 К и 0,1 МПа а = 0,3307 нм, с = 1,1254 нм), выше 43,8 К существует g -форма с кубич. решеткой (а = 0,683 нм); D H° полиморфных переходов g : b 744 Дж/моль (43,818 К), b : a 93,8 Дж/моль (23,878 К); тройная точка b-g- газообразный К.: т-ра 283 К, давление 5,0 ГПа; D H O пл 443 Дж/молъ; ур-ние температурной зависимости плотности d= 1,5154-0,004220T г/см 3 (44 54 К), a-, b- и g- О 2 кристаллы светло-синего цвета. Модификация р антиферромагнитна, a и g парамагнитны, их магн. восприимчивость соотв. 1,760 . 10 -3 (23,7 К) и 1,0200 . 10 -5 (54,3 К). При 298 К и повышении давления до 5,9 ГПа К. кристаллизуется, образуя окрашенную в розовый цвет гексаген. b -форму (а = 0,2849 нм, с = 1,0232 нм), а при повышении давления до 9 ГПа оранжевую ромбич. e -форму (при 9,6 ГПа а =0,42151 нм, b= 0,29567 нм, с =0,66897 нм, плотн. 2,548 г/см 3). Р-римость К. при атм. давлении и 293 К (в см 3 /см 3): в воде 0,031, этаноле 0,2201, метаноле 0,2557, ацетоне 0,2313; р-римость в воде при 373 К 0,017 см 3 /см 3 ; р-римость при 274 К (в % по объему): в перфторбутилтетрагидрофуране 48,5, перфтордекалине 45,0, перфтор-l-метилдекалине 42,3. Хорошие твердые поглотители К. платиновая чернь и активный древесный уголь . Благородные металлы в расплавл. состоянии поглощают значит. кол-ва К., напр. при 960 °С один объем серебра поглощает ~22 объема К., к-рый при охлаждении почти полностью выделяется. Способностью поглощать К. обладают мн. твердые металлы и оксиды, при этом образуются нестехиометрич. соединения. К. отличается высокой хим. активностью, образуя соед. со всеми элементами, кроме Не, Ne и Аr. Атом К. в хим. соед. обычно приобретает электроны и имеет отрицат. эффективный заряд. Соед., в к-рых электроны оттягиваются от атома К., крайне редки (напр., OF 2). С простыми в-вами, кроме Au, Pt, Xe и Кr, К. реагирует непосредственно при обычных условиях или при нагр., а также в присут. катализаторов. Р-ции с галогенами проходят под действием электрич. разряда или УФ излучения. В р-циях со всеми простыми в-вами, кроме F 2 , К. является окислителем. Мол. К. образует три разл. ионные формы, каждая из к-рых дает начало классу соед.: О - 2 - супероксидам, О 2 2- - пeроксидам (см. Пероксидные соединения неорганические, Пе-роксидные соединения органические), О + 2 - диоксигенильным соeдинениям. Озон образует озониды, в к-рых ионная форма К.-О - 3 . Молекула О 2 присоединяется как слабый лиганд к нек-рым комплексам Fe, Co, Мn, Сu. Среди таких соед. важное значение имеет гемоглобин, к-рый осуществляет перенос К. в организме теплокровных. Р-ции с К., сопровождающиеся интенсивным выделением энeргии, наз. горением. Большую роль играют взаимод. К. с металлами в присут. влаги-атм. коррозия металлов, а также дыхание живых организмов и гниение. В результате гниения сложные орг. в-ва погибших животных и растений превращаются в более простые и в конечном счете в СО 2 и волу. С водородом К. реагирует с образованием воды и выделением большого кол-ва тепла (286 кДж на моль Н 2). При комнатной т-ре р-ция идет крайне медленно, в присут. катализаторов - сравнительно быстро уже при 80-100 °С (эту р-цию используют для очистки Н 2 и инертных газов от примеси О 2). Выше 550 °С р-ция Н 2 с О 2 сопровождается взрывом. Из элементов I гр. наиб. легко реагируют с К. Rb и Cs, к-рые самовоспламеняются на воздухе, К, Na и Li реагируют с К. медленнее, р-ция ускоряется в присут. паров воды. При сжигании щелочных металлов (кроме Li) в атмосфере К. образуются пероксиды М 2 О 2 и супероксиды МО 2 . С элементами подгруппы IIа К. реагирует сравнительно легко, напр., Ва способен воспламеняться на воздухе при 20-25°С, Mg и Be воспламеняются выше 500 °С; продукты р-ции в этих случаях - оксиды и пероксиды. С элементами подгруппы IIб К. взаимод. с большим трудом, р-ция К. с Zn, Cd и Hg происходит только при более высоких т-рах (известны породы, в к-рых Hg содержится в элементарной форме). На пов-стях Zn и Cd образуются прочные пленки их оксидов, предохраняющие металлы от дальнейшего окисления. Элементы III гр. реагируют с К. только при нагр., образуя оксиды. Компактные металлы Ti, Zr, Hf устойчивы к действию К. С углеродом К. реагирует с образованием СО 2 и выделением тепла (394 кДж/моль); с аморфным углеродом р-ция протекает при небольшом нагревании, с алмазом и графитом - выше 700 °С. С азотом К. реагирует лишь выше 1200°С с образованием NO, к-рый далее легко окисляется К. до NO 2 уже при комнатной т-ре. Белый фосфор склонен к самовозгоранию на воздухе при комнатной т-ре. Элементы VI гр. S, Se и Те реагируют с К. с заметной скоростью при умеренном нагревании. Заметное окисление W и Мо наблюдается выше 400 °С, Cr - при значительно более высокой т-ре. К. энергично окисляет орг. соединения. Горение жидких топлив и горючего газа происходит в результате р-ции К. с углеводородами.
Получение. В пром-сти К. получают воздуха разделением, гл. обр. методом низкотемпературной ректификации. Его производят также наряду с Н 2 при пром. электролизе воды. Выпускают газообразный технол. К. (92-98% О 2), техн. (1-й сорт 99,7% О 2 , 2-й сорт 99,5% и 3-й сорт 99,2%) и жидкий (не менее 99,7% О 2). Производится также К. для лечебных целей ("медицинский кислород ", содержащий 99,5% O 2). Для дыхания в замкнутых помещениях (подводные лодки, космич. аппараты и др.) используют твердые источники К., действие к-рых основано на самораспространяющейся экзо-термич. р-ции между носителем К. (хлоратом или перхлоратом) и горючим. Напр., смесь NaClO 3 (80%), порошка Fe (10%), ВаО 2 (4%) и стекловолокна (6%) прессуют в виде цилиндров; после поджигания такая кислородная свеча горит со скоростью 0,15-0,2 мм/с, выделяя чистый, пригодный для дыхания К. в кол-ве 240 л/кг (см. Пиротехнические источники газов ). В лаборатории К. получают разложением при нагр. оксидов (напр., HgO) или кислородсодержащих солей (напр., КСlO 3 , КМnО 4), а также электролизом водного р-ра NaOH. Однако чаще всего используют пром. К., поставляемый в баллонах под давлением.
Определение. Концентрацию К. в газах определяют с помощью ручных газоанализаторов, напр. волюмометрич. методом по изменению известного объема анализируемой пробы после поглощения из нее О 2 р-рами - медноаммиачным, пирогаллола, NaHSO 3 и др. Для непрерывного определения К. в газах применяются автоматич. термомагн. газоанализаторы, основанные на высокой магн. восприимчивости К. Для определения малых концентраций К. в инертных газах или водороде (менее 1%) используют автоматич. термохим., электрохим., гальванич. и др. газоанализаторы. С этой же целью применяют колориметрич. метод (с использованием прибора Мугдана), основанный на окислении бесцв. аммиачного комплекса Cu(I) в яркоокра-шенное соед. Cu(II). К., растворенный в воде, определяют также колориметрически, напр. по образованию красного окрашивания при окислении восстановленного индигокар-мина. В орг. соед. К. определяют в виде СО или СО 2 после высокотемпературного пиролиза анализируемого в-ва в потоке инертного газа . Для определения концентрации К. в стали и сплавах используют электрохим. датчики с твердым электролитом (стабилизированный ZrO 2). См. также Газовый анализ, Газоанализаторы .
Применение. К. используют как окислитель: в металлургии - при выплавке чугуна и стали (в доменном, кислородно-конвертерном и мартеновском произ-вах), в процессах шахтной, взвешенной и конвертерной плавки цветных металлов; в прокатном произ-ве; при огневой зачистке металлов; в литейном произ-ве; при термитной сварке и резке металлов; в хим. и нефтехим. пром-сти-при произ-ве HNO 3 , H 2 SO 4 , метанола, ацетилена; формальдегида, оксидов, пероксидов и др. в-в. К. используют в лечебных целях в медицине, а также в кислородно-дыхат . аппаратах (в космич. кораблях, на подводных судах, при высотных полетах, подводных и спасательных работах). Жидкий К.-окислитель для ракетных топлив; его используют также при взрывных работах, как хладагент в лаб. практике. Произ-во К. в США 10,75 млрд. м 3 (1985); в металлургии потребляется 55% производимого К., в хим. промсти - 20%. К. нетоксичен и негорюч, но поддерживает горение. В смеси с жидким К. взрывоопасны все углеводороды, в т.ч. масла, CS 2 . наиб. опасны малорастворимые горючие примеси, переходящие в жидком К. в твердое состояние (напр., ацетилен, пропилен, CS 2). Предельно допустимое содержание в жидком К.: ацетилена 0,04 см 3 /л, CS 2 0,04 см 3 /л, масла 0,4 мг/л. Газообразный К. хранят и транспортируют в стальных баллонах малой (0,4-12 л) и средней (20-50 л) емкости при давлении 15 и 20 МПа, а также в баллонах большой емкости (80-1000 л при 32 и 40 МПа), жидкий К. в сосудах Дьюара или в спец. цистернах. Для транспортировки жидкого и газообразного К. используют также спец. трубопроводы. Кислород ные баллоны окрашены в голубой цвет и имеют надпись черными буквами "кислород " . Впервые К. в чистом виде получил К. Шееле в 1771. Независимо от него К. был получен Дж. Пристли в 1774. В 1775 А. Лавуазье установил, что К.-составная часть воздуха, к-т и содержится во мн. в-вах. Лит.. Глизмаяенко Д.Л., Получение кислорода , 5 изд., М., 1972; Разумовский С. Д., Кислород-элементарные формы и свойства, М., 1979; Термодинамические свойства кислорода , М., 1981. Я. Д. Зельвенский.

Использование: для получения кислорода в системах жизнеобеспечения при аварийных ситуациях. Сущность изобретения: пиротехнический состав включает 87 - 94 мас.% NaClO 3 и 6 - 13 мас.% Cu 2 S. Выход O 2 231 - 274 л/кг, температура в зоне горения 520 - 580 o С. 1 табл.

Изобретение относится к области получения газообразного кислорода из твердых составов, генерирующих кислород за счет самоподдерживающей термокаталитической реакции, протекающей между компонентами состава в узкой области горения. Такие составы называют кислородными свечами. Генерируемый кислород может использоваться в системах жизнеобеспечения, в аварийных ситуациях диспетчерских служб. Известные пиротехнические источники кислорода, так называемые кислородные или хлоратные свечи, содержат три основных компонента: кислородоноситель, горючее и катализатор В хлоpатных свечах кислородоносителем служит хлорат натрия, содержание которого лежит в пределах 80-93% Горючим служит порошок металла железа с углекислотой. Функцию катализатора выполняют оксиды и пероксиды металлов, например МgFeO 4 . Выход кислорода лежит в пределах 200-260 л/кг. Температура в зоне горения хлоратных свечей, содержащих металл в качестве горючего, превышает 800 о С. Наиболее близким к изобретению является состав содержащий в качестве кислородоносителя хлорат натрия 92% горючего сплав магния с кремнием в соотношении 1:1 (3 мас.), а в качестве катализатора смесь оксидов меди и никеля в соотношении 1:4. Выход кислорода с этого состава составляет 265 5 л/кг. Температура в зоне горения 850-900 о С. Недостаток известного состава высокая температура в зоне горения, которая влечет за собой необходимость усложнения конструкции генератора, введения специального теплообменника для охлаждения кислорода, возможность загорания корпуса генератора от попадания на него искр горящих частиц металла, появление избыточного количества жидкой фазы (расплава) вблизи зоны горения, что ведет к деформации блока и увеличению количества пыли. Цель изобретения снижение температуры в зоне гонения состава при сохранении высокого выхода кислорода. Это достигается тем, что состав в качестве кислородоносителя содержит хлорат натрия, а в качестве горючего и катализатора сульфит меди (Cu 2 S). Компоненты состава берут в следующем отношении, мас. хлорат натрия 87-94; сульфид меди 6-13. Возможность использования в качестве горючего и катализатора сульфида меди основана на особом механизме каталитического действия. В ходе реакции обе составные части сульфида меди экзотермически окисляются:

Сu 2 S + 2,5O 2 CuSO 4 + CuO + 202,8 ккал. Эта реакция поставляет энергию для протекания самораспространяющегося процесса. Удельная энтальпия сгорания Сu 2 S (1,27 ккал/г) ненамного отличается от удельной энтальпии сгорания железа (1,76 ккал/г). Большая часть энергии поступает от окисления сульфидной серы до сульфатной и лишь небольшая часть от окисления меди. Сульфид меди более реакционноспособен, чем порошок металла железа и магния, поэтому основная экзотермическая реакция может протекать достаточно быстро при сравнительно низкой температуре 500 о С. Низкую температуру в зоне горения обеспечивает также то, что и сульфид меди, и продукт его окисления оксид меди являются эффективными катализаторами распада хлората натрия. По данным ДТА чистый хлорат натрия при нагревании со скоростью 10 о С/мин распадается на NaCl и O 2 при 480-590 о С, в присутствии 6 мас. Сu 2 S при 260-360 о С, а в присутствии 12 мас. СuO при 390-520 о С. Порошок Сu 2 S отличается более высокой дисперсностью невысокой температуре в зоне горения 520-580 о С. Полученный кислород не содержит таких вредных примесей, как Сl 2 , углеродные соединения и минимальное количество SO 2 не более 0,55 кг/м 3 .

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА, включающий хлорат натрия и соединение меди, отличающийся тем, что в качестве соединения меди он содержит сульфид меди при следующем содержании компонентов, мас.%:

КИСЛОРОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОЗДУХЕ. ПРИРОДА АТМОСФЕРЫ. ЕЕ СВОЙСТВА. ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ СВЕЧИ. УГЛЕКИСЛОТА, ЕЕ СВОЙСТВА

Мы уже убедились, что водород и кислород можно получить из воды, полученной нами при горении свечи. Вы знаете, что водород берется из свечи, а кислород, вы полагаете, берется из воздуха. Но в таком случае вы вправе спросить меня: "Почему же получается, что воздух и кислород не одинаково хорошо сжигают свечу?" Если у вас свежо в памяти, что произошло, когда я накрыл огарок банкой с кислородом, вы припомните, что тут горение шло совсем иначе, чем в воздухе. Так в чем же дело? Это очень существенный вопрос, и я приложу все старания, чтобы вы в нем разобрались; он непосредственно связан с вопросом о природе атмосферы и поэтому для нас чрезвычайно важен.

Мы располагаем несколькими способами распознавания кислорода, помимо простого сжигания в нем тех или иных веществ. Вы видели, как горит свеча в кислороде и как на воздухе; вы видели, как горит фосфор на воздухе и как в кислороде; вы видели, как горит в кислороде железо. Но, кроме этих способов распознавания кислорода, есть и другие, и я разберу некоторые из них, чтобы расширить ваш опыт и ваши знания. Вот, например, сосуд с кислородом. Я вам докажу присутствие этого газа. Я возьму тлеющую лучинку и опущу ее в кислород. Вы из прошлой беседы уже знаете, что произойдет: тлеющая лучинка, опущенная в банку, покажет вам, есть ли в ней кислород или нет. Есть! Мы это доказали горением.

А вот и другой способ распознавания кислорода, очень интересный и полезный. Здесь у меня две банки, каждая из которых наполнена газом. Они разобщены пластинкой, чтобы эти газы не смешивались. Я убираю пластинку, и начинается перемешивание газов: каждый газ как бы вползает в банку, где находится другой. "Так что же тут происходит? - спросите вы. - Они вместе не дают такого горения, какое мы наблюдали у свечи". Но вот взгляните, как присутствие кислорода можно распознать по его соединению с этим вторым веществом.

Какой великолепно окрашенный газ получился. Он сигнализирует мне о присутствии кислорода. Тот же опыт можно проделать и путем смешения этого пробного газа с обыкновенным воздухом. Вот банка с воздухом - таким, в котором стала бы гореть свеча, - а вот банка с этим пробным газом. Я даю им возможность смешиваться над водой, и вот результат: содержимое испытательной банки втекает в банку с воздухом, и вы видите, что происходит точно такая же реакция. Это доказывает, что в воздухе есть кислород, т. е. то самое вещество, которое мы уже добывали из воды, полученной при сгорании свечи.

Но все-таки почему же свеча не так хорошо горит в воздухе, как в кислороде? Сейчас мы к этому перейдем. Вот у меня две банки; они наполнены газом до одинакового уровня, и на вид они одинаковы. По правде говоря, я сейчас даже не знаю, которая из этих банок содержит кислород, а которая - воздух, хотя мне известно, что их заранее наполнили именно этими газами. Но у нас есть пробный газ, и я сейчас выясню, есть ли между содержимым обеих банок какая-либо разница в способности вызывать покраснение этого газа. Я впускаю пробный газ в одну из банок. Следите, что происходит. Как видите, покраснение есть, - стало быть, здесь кислород. Испытаем теперь вторую банку. Как видите, покраснение не так отчетливо, как в первой банке.

Далее происходит любопытнейшая вещь: если смесь двух газов во второй банке хорошенько взболтать с водой, красный газ поглотится; если впустить еще порцию испытательного газа и опять взболтать банку, поглощение красного газа повторится; и так можно продолжать, пока будет оставаться кислород, без которого невозможно это явление. Если я впущу воздух, дело не изменится; но как только я введу воду, красный газ исчезнет; и я могу продолжать, таким образом, впускать все больше и больше испытательного газа, пока у меня в банке не останется нечто такое, что уже не будет окрашиваться от прибавления того вещества, которое окрашивало воздух и кислород. В чем же дело? Вы понимаете, что в воздухе, кроме кислорода, содержится еще что-то, и оно-то и остается в остатке. Сейчас я впущу в банку еще немного воздуха, и если он покраснеет, вы будете знать, что там еще оставалось какое-то количество красящего газа и что, стало быть, не его нехваткой объясняется то, что воздух израсходовался не весь.

Это поможет вам понять то, что я теперь скажу. Вы видели, что когда я сжег фосфор в банке, и получившийся из фосфора и кислорода дым осел, изрядное количество газа осталось неизрасходованным, подобно тому как наш пробный газ оставил что-то незатронутым. И действительно, после реакции остался вот этот газ, который не изменяется ни от фосфора, ни от красящего газа. Этот газ - не кислород, но, однако, это составная часть атмосферы.

Таков один способ разделения воздуха на те два вещества, из которых он состоит, т. е. на кислород, сжигающий наши свечи, фосфор и все прочее, и на вот это другое вещество - азот, в котором они не горят. Этой второй составной части в воздухе гораздо больше, чем кислорода.

Этот газ оказывается очень интересным веществом, если заняться его исследованием, но вы, может быть, скажете, что он совсем не интересный. В некоторых отношениях это так: ведь он не проявляет никаких блестящих эффектов горения. Если его испытывать зажженной лучинкой, как я испытывал кислород и водород, то он не будет ни сам гореть, как водород, ни заставлять гореть лучинку, подобно кислороду. Как бы я его ни испытывал, я не смогу от него добиться ни того, ни другого: он и не загорается и не дает гореть лучинке - он гасит горение любого вещества. При обычных условиях ничто не может в нем гореть. У него нет ни запаха, ни вкуса; это не кислота и не щелочь; по отношению ко всем нашим внешним чувствам он проявляет полное безразличие. И вы могли бы сказать: "Это ничто, оно не заслуживает внимания химии; чего ради оно существует в воздухе?"

И тут-то нам пригодится умение делать выводы из опыта. Предположим, что вместо азота или смеси азота с кислородом, наша атмосфера состояла бы из чистого кислорода, - что бы с нами сталось? Вы прекрасно знаете, что кусок железа, зажженный в банке с кислородом, сгорает дотла. При виде топящегося камина вообразите, что сталось бы с его решеткой, если бы вся атмосфера состояла из одного только кислорода: чугунная решетка стала бы гореть куда сильнее, чем каменный уголь, которым мы топим камин. Огонь в топке паровоза - это было бы все равно, что огонь на складе горючего, если бы атмосфера состояла из кислорода.

Азот разбавляет кислород, умеряет его действие и делает его полезным для нас. К тому же азот уносит с собой весь тот чад и газы, которые, как вы видели, возникают при горении свечи, рассеивает их по всей атмосфере и переносит их туда, где они оказываются нужны для поддержания жизни растений, а тем самым и человека. Таким образом, азот выполняет в высшей степени важную работу, хотя вы, ознакомившись с ним, говорите: "Ну, это совсем никчемная штука".

В своем обычном состоянии азот представляет собой неактивный элемент: никакое воздействие, кроме сильнейшего электрического разряда, да и то только в очень слабой степени, не может заставить азот непосредственно вступить в соединение с другим элементом атмосферы или с иными окружающими веществами. Это вещество совершенно индифферентное, т. е., иначе говоря, безразличное, - а тем самым и безопасное.

Но прежде чем подвести вас к этому выводу, я должен сперва кое-что рассказать вам о самой атмосфере. Вот таблица, показывающая процентный состав атмосферного воздуха :

по объему по массе

Кислород. . . . 20 22,3

Азот. . . . . 80 77,7

__________________________

Она правильно отражает относительные количества кислорода и азота в атмосфере. Отсюда мы видим, что в пяти пинтах воздуха содержится всего одна пинта кислорода на четыре пинты азота; иначе говоря, по объему азот составляет 4 / 5 атмосферного воздуха. Все это количество азота уходит на то, чтобы разбавить кислород и смягчить его действие; в результате и свеча надлежащим образом снабжается горючим и наши легкие могут дышать воздухом без вреда для здоровья. Ведь для нас не менее важно получать кислород для дыхания в надлежащем виде, чем иметь соответствующий состав атмосферы для горения угля в камине или свечи.

Теперь я сообщу вам массы этих газов. Пинта азота имеет массу 10 4 / 10 грана, а кубический фут - 1 1 / 6 унции. Такова масса азота. Кислород тяжелее: пинта его имеет массу 11 9 / 10 грана, а кубический фут - 1 1 / 5 унции.

Вы уже несколько раз задавали мне вопрос: "Как определяют массу газов?", и я очень рад, что этот вопрос вас заинтересовал. Сейчас я вам покажу, это дело очень простое и легкое. Вот весы, а вот медная бутылка, аккуратно выточенная на токарном станке и при всей своей прочности имеющая наименьшую возможную массу. Она совершенно непроницаема для воздуха и снабжена краном. Сейчас кран открыт, и поэтому бутылка наполнена воздухом. Весы эти очень точные, и бутылка в ее теперешнем состоянии уравновешена на них гирями на другой чашке. А вот и насос, при помощи которого мы можем нагнетать воздух в эту бутылку.

Рис. 25.

Сейчас мы накачаем в нее известное количество воздуха, объем которого будет измеряться емкостью насоса. (Накачивается двадцать таких объемов.) Теперь мы закроем кран и положим бутылку обратно на весы. Смотрите, как чашка весов опустилась: бутылка стала гораздо тяжелее, чем прежде. Емкость бутылки у нас не изменилась, - значит, воздух в том же объеме стал тяжелее. Благодаря чему? Благодаря тому воздуху, который мы в нее накачали насосом. вдобавок к имевшемуся воздуху.

Сейчас мы выпустим воздух вот в ту банку и предоставим ему возможность вернуться в прежнее состояние. Все, что мне для этого нужно сделать, сводится к тому, чтобы плотно соединить медную бутылку с банкой и открыть краны, - и вот вы видите, у нас тут собран весь тот объем воздуха, который я только что накачал в бутылку двадцатью взмахами насоса. Чтобы удостовериться, что у нас по ходу этого опыта не произошло никакой ошибки, мы опять положим бутылку на весы. Если она теперь снова окажется уравновешена первоначальной нагрузкой, мы сможем быть совершенно уверены, что мы правильно проделали опыт. Да, она уравновесилась. Вот таким образом мы и можем узнать массу тех добавочных порций воздуха, которые мы в нее накачивали. Так можно установить, что кубический фут воздуха имеет массу 1 1 / 5 унции.

Рис. 26.

Но этот скромный опыт никак не сможет довести до вашего сознания всю сущность полученного результата. Поразительно, насколько цифры возрастают, когда мы переходим к более крупным объемам. Вот такое количество воздуха (кубический фут) имеет массу 1 1 / 5 унции. А как вы думаете, какова масса воздуха вон в том ящике наверху (я его специально заказывал для этих расчетов)? Воздух в нем имеет массу целый фунт. Массу воздуха в этом зале я вычислил, но эту цифру вы вряд ли угадали бы: это больше тонны. Вот как быстро возрастают массы, и вот как важно присутствие атмосферы и содержащихся в ней кислорода и азота, а также работа, которую она производит, перемещая предметы с места на место и унося вредные испарения.

Дав вам эти несколько примеров, относящихся к весомости воздуха, я перейду теперь к показу некоторых следствий из этого факта. Вам обязательно надо с ними познакомиться, иначе вам многое останется неясным. Помните ли вы такой опыт? Случалось ли вам когда-нибудь его видеть? Для него берется насос, несколько, похожий на тот, которым я только что накачивал воздух в медную бутылку.

Рис. 27.

Его нужно расположить так, чтобы я мог наложить ладонь на его отверстие. В воздухе моя рука передвигается так легко, как будто она не чувствует никакого сопротивления. Как бы я ни двигался, мне почти не удается добиться такой скорости, чтобы я ощутил большое сопротивление воздуха этому движений). Но когда я кладу руку сюда (на цилиндр воздушного насоса , из которого затем выкачивается воздух), вы видите, что происходит. Почему моя ладонь пристала к этому месту так плотно, что за ней передвигается и весь насос? Смотрите! Почему мне еле-еле удается освободить руку? В чем дело? Дело в весе воздуха - того воздуха, который надо мной.

А вот и другой опыт, который, я думаю, поможет вам еще лучше разобраться в этом вопросе. Верх этой банки затянут бычьим пузырем, и когда из нее будет выкачиваться воздух, вы увидите в несколько измененном виде тот же эффект, что и в предыдущем опыте. Сейчас верх совершенно плоский, но стоит мне сделать хотя бы очень слабое движение насосом, и поглядите, как пузырь опустился, как он прогнулся внутрь. Вы сейчас увидите, как пузырь будет втягиваться все больше и больше внутрь банки, пока, наконец, он не будет окончательно вдавлен и прорван силой давящей нa него атмосферы. (Пузырь лопнул с громким хлопком.) Так вот, это произошло всецело от силы, с которой воздух давил на пузырь, и вам нетрудно будет понять, как тут обстоит дело.

Рис. 28.

Посмотрите на этот столбик из пяти кубиков: таким же образом расположены друг над другом и частицы, нагроможденные в атмосфере. Вам вполне понятно, что четыре верхних кубика покоятся на пятом, нижнем, и что если я его выну, все остальные опустятся. Так же обстоит дело и в атмосфере: верхние слои воздуха поддерживаются нижними, а когда из-под них выкачивается воздух, происходят изменения, которые вы наблюдали, когда моя ладонь лежала на цилиндре насоса и в опыте с бычьим пузырем, а сейчас увидите еще лучше.

Эту банку я завязал резиновой. перепонкой. Сейчас я буду выкачивать из нее воздух, а вы следите за резиной, отделяющей воздух внизу от воздуха наверху. Вы увидите, как будет проявляться атмосферное давление по мере выкачивания воздуха из банки. Смотрите, как втягивается резина - ведь я могу даже руку опустить в банку, - и все это только в результате мощного, колоссального воздействия воздуха над нами. Как четко проявляется здесь этот интересный факт!

После конца сегодняшней лекции вы сможете помериться силами, пытаясь разнять вот этот прибор. Он состоит из двух полых медных полушарий, плотно пригнанных друг к другу и снабженных трубкой с краном для выкачивания воздуха. Пока внутри имеется воздух, полушария легко разнимаются; однако вы убедитесь, что, когда мы выкачиваем воздух через эту трубку с краном и вы будете их тянуть - один в одну сторону, другой в другую, - никому из вас не удастся разнять полушария. Каждому квадратному дюйму площади сечения этого сосуда, когда воздух выкачан, приходится выдерживать около пятнадцати фунтов. Потом я предоставлю вам возможность испытать свои силы - попробуйте преодолеть это давление воздуха.

Вот еще интересная вещица - присоска, забава мальчиков, но только усовершенствованная для научных целей. Ведь у вас, у молодежи, полное право использовать игрушки для целей науки, тем более, что по нынешним временам из науки стали делать забаву. Вот присоска, только она не кожаная, а резиновая. Я пришлепываю ее к поверхности стола, и вы сразу видите, что она к нему прочно прилипла. А почему она так держится? Ее можно передвигать, она легко скользит с места на место, - но, как ни старайся ее поднять, она, пожалуй, скорее стол за собой потянет, чем оторвется от него. Снять ее со стола удается только тогда, когда ее сдвинешь к самому краю, чтобы впустить под нее воздух. Прижимает ее к поверхности стола только давление воздуха над ней. Вот и еще одна присоска - прижимаем их друг к другу, и вы увидите, как прочно они пристанут. Мы можем употребить их, так сказать, и по прямому назначению, т. е. прилепить к окнам и стенам, где они продержатся несколько часов и пригодятся на то, чтобы на них вешать какие-нибудь предметы.

Однако мне надо показать вам не только игрушки, но и опыты, которые вы сможете повторить дома. Наглядно доказать существование атмосферного давления можно таким изящным опытом. Вот стакан воды. Что, если я попрошу вас ухитриться так опрокинуть его вверх дном, чтобы вода при этом не пролилась? И не потому, что вы подставите руку, а исключительно благодаря атмосферному давлению.

Возьмите рюмку, налитую водой до краев или до половины, и прикройте ее какой-нибудь картонкой; опрокиньте ее и посмотрите, что произойдет с картонкой и с водой. Воздух не сможет проникнуть в рюмку, так как его не впустит вода из-за капиллярного притяжения к краям рюмки.

Я думаю, что все это даст вам правильное представление о том, что воздух - это не пустота, а нечто вещественное. Узнав от меня, что вон тот ящик вмещает фунт воздуха, а этот зал - больше тонны, вы поверите, что воздух - это не просто пустота.

Проделаем еще один опыт, чтобы убедить вас в том, что воздух действительно может оказывать сопротивление. Вы ведь знаете, какое великолепное духовое ружье можно легко устроить из гусиного пера, или трубочки, или чего-нибудь в этом роде. Взяв ломтик яблока или картофеля, надо вырезать из него маленький кусочек под размер трубки - вот так - и протолкнуть его насквозь до самого конца, как поршень. Вставив вторую пробку, мы изолируем воздух в трубке полностью. И теперь окажется, что протолкнуть вторую пробку вплотную к первой совершенно невозможно. Сжать воздух до некоторой степени можно, но если мы будем продолжать давить на вторую пробку, то она еще не успеет приблизиться к первой, как сжатый воздух вытолкнет ту из трубки, и притом с силой, напоминающей действие пороха - ведь оно тоже связано с той причиной, которую мы здесь наблюдали.

На днях я видел опыт, который мне очень понравился, так как он может быть использован, на наших занятиях. (Прежде чем к нему приступить, мне бы следовало минут пять помолчать, так как успех этого опыта зависит от моих легких.) Я надеюсь, что мне удастся силой своего дыхания, т. е. надлежащим применением воздуха, поднять яйцо, стоящее в одной рюмке, и перебросить его в другую. За успех я не ручаюсь: ведь я сейчас слишком долго говорил. (Лектор успешно проделывает опыт.) Воздух, который я выдуваю, проходит между яйцом и стенкой рюмки; под яйцом возникает напор воздуха, который оказывается в состоянии поднять тяжелый предмет: ведь для воздуха яйцо - это действительно тяжелый предмет. Во всяком случае, если вы захотите сами проделать этот опыт, лучше возьмите крутое яйцо, и тогда можно будет без риска попытаться осторожно переместить его из одной рюмки в другую силой своего дыхания.

Хотя мы изрядно долго задержались на вопросе о массе воздуха, мне хотелось бы упомянуть еще об одном его свойстве. В опыте с духовым ружьем вы убедились, что прежде чем вылетела первая картофельная пробка, мне удалось вдвинуть вторую на полдюйма или даже больше. А это зависит от замечательного свойства воздуха - от его упругости. С ней вы можете познакомиться на следующем опыте.

Возьмем оболочку, непроницаемую для воздуха, но способную растягиваться и сжиматься, а тем самым и давать нам возможность судить об упругости воздуха, содержащегося в ней. Сейчас в ней воздуха немного, и мы плотно завяжем горлышко, чтобы он не мог сообщаться с окружающим воздухом. До сих пор мы все делали так, чтобы показать давление атмосферы на поверхность предметов, а теперь, наоборот, мы избавимся от атмосферного давления. Для этого мы поместим нашу оболочку под колокол воздушного насоса, из-под которого мы будем выкачивать воздух. На ваших глазах эта оболочка расправится, надуется, как воздушный шар , и будет становиться все больше и больше, пока не заполнит собой весь колокол. Но как только я опять открою наружному воздуху доступ в колокол, наш шар сейчас же опадет. Вот вам наглядное доказательство этого удивительного свойства воздуха - его упругости, т. е. чрезвычайно большой способности сжиматься и расширяться. Это свойство имеет очень существенное значение и во многом определяет роль воздуха в природе.

Перейдем теперь к другому весьма важному разделу нашей темы. Припомните, что, когда мы занимались горением свечи, мы выяснили, что при этом образуются различные продукты горения. В числе этих продуктов - сажа, вода и еще что-то, до сих пор еще не исследованное нами. Воду мы собирали, а другим веществам предоставляли рассеиваться в воздухе. Займемся теперь исследованием некоторых из этих продуктов.

Рис. 29.

В этом деле нам поможет, в частности, следующий опыт. Вот здесь мы поставим горящую свечу и накроем ее стеклянным колпаком с отводной трубкой наверху… Свеча будет продолжать гореть, так как воздух свободно проходит внизу и наверху. Прежде всего вы видите, что колпак делается влажным; вы уже знаете, в чем тут дело: это вода, получившаяся при горении свечи от действия воздуха на водород. Но, помимо этого, что-то выходит из отводной трубки наверху; это не водяной пар, это не вода, это вещество не конденсируется, и к тому же оно отличается особенными свойствами . Вы видите, что струе, выходящей из трубки, почти удается погасить огонек, который я к нему подношу; если я буду держать зажженную лучинку прямо в выходящей струе, она совсем погаснет. "Это в порядке вещей", - скажете вы; очевидно, это потому вас не удивляет, что азот не поддерживает горения и должен гасить пламя, раз свеча в нем ни горит. Но разве тут нет ничего, кроме азота?

Здесь мне придется забежать вперед: на основе имеющихся у меня знаний я постараюсь вооружить вас научными методами исследования таких газов и выяснения этих вопросов вообще.

Возьмем пустую банку и будем держать ее над, отводной трубкой, чтобы в ней собирались продукты горения свечи. Нам нетрудно будет обнаружить, что в этой банке собрался не просто воздух, а газ, обладающий еще и другими свойствами. Для этого я беру немного негашеной извести, заливаю ее самой и хорошенько размешиваю. Вложив в воронку кружок фильтровальной бумаги, я фильтрую через нее эту смесь, и в подставленную колбу стекает чистая, прозрачная вода. Такой воды у меня сколько угодно в другом сосуде, но для убедительности я предпочитаю употреблять в дальнейших опытах именно ту известковую воду, которая приготовлена на ваших глазах.

Если налить немного этой чистой, прозрачной воды в ту банку, куда мы собрали газ, идущий от горящей свечи, вы сейчас же увидите, как произойдет перемена… Видите, вода совсем побелела! Обратите внимание, что от обыкновенного воздуха это не получится. Вот сосуд с воздухом; я в него наливаю известковой воды, но ни кислород, ни азот и ничто другое, присутствующее в этом количестве воздуха, не вызовет никаких перемен в известковой воде; как бы мы ее ни взбалтывали вместе с тем обыкновенным воздухом, который содержится в этом сосуде, она остается совершенно прозрачной. Однако если взять эту колбу с известковой водой и обеспечить ей соприкосновение со всей массой продуктов горения свечи, она быстро приобретет молочно-белый оттенок.

Это белое, похожее на мел вещество в воде, состоит из извести, которую мы взяли для приготовления известковой воды, в соединении с чем-то, появившимся из свечи, т. е. как раз с тем продуктом, который мы пытаемся уловить и о котором я сегодня буду вам рассказывать. Это вещество становится для нас видимым благодаря его реакции на известковую воду, где проявляется его отличие от кислорода, азота, от водяного пара; это - новое для нас вещество, получаемое из свечи. Поэтому, чтобы как следует разобраться в горении свечи, нам следует еще узнать, как и из чего получается этот белый порошок. Можно доказать, что это действительно мел; если положить в реторту влажный мел и раскалить его докрасна, из него выделится как раз то самое вещество, что и из горящей свечи.

Существует и другой, лучший способ получения этого вещества, и притом в больших количествах, если хотят выяснить, каковы его основные свойства. Это вещество, оказывается, в изобилии есть там, где вам не пришло бы в голову подозревать его присутствие. Этот газ, выделяющийся при горении свечи и называемый углекислым газом, в огромных количествах содержится во всех известняках, в мелу, в раковинах, в кораллах. Это интересная составная часть воздуха находится в связанном виде во всех этих камнях; обнаружив это вещество в таких горных породах, как мрамор, мел и т. п., химик д-р Блэк назвал его "связанным воздухом", так как оно находится уже не в газообразном состоянии, а вошло в состав твердого тела.

Этот газ легко получить из мрамора. На дне вот этой банки немного соляной кислоты; горящая лучинка, опущенная в банку, покажет, что в ней до самого дна нет ничего, кроме обыкновенного воздуха. Вот кусочки мрамора - прекрасного высокосортного мрамора; я их бросаю в банку с кислотой и получается нечто вроде бурного кипения. Однако выделяется при этом не водяной пар, а какой-то газ; и если я сейчас испытаю содержимое банки горящей лучинкой, я получу точно такой же результат, как от газа, выходившего из отводной трубки над горящей свечой. Не только действие здесь то же самое, но и вызвано оно точно таким же веществом, какое выделялось из свечи; этим способом мы можем получать углекислый газ в больших количествах: ведь сейчас наша банка уже почти наполнилась.

Мы можем также убедиться, что этот газ содержится не только в мраморе.

Вот большая банка с водой, в которую я насыпал мелу (такого сорта, какой можно найти в продаже для штукатурных работ , т. е. промытого в воде и очищенного от грубых частиц).

Вот крепкая серная кислота; именно эта кислота нам потребуется, если вы дома захотите повторить наши опыты (обратите внимание на то, что при действии этой кислоты на известняк и подобные породы получается нерастворимый осадок, тогда как соляная кислота дает вещество растворимое, от которого вода так не густеет).

Вас может заинтересовать вопрос, почему я проделываю этот опыт в такой посуде. Для того чтобы вы могли повторить в небольшом масштабе то, что я здесь делаю в крупном. Здесь вы увидите то же явление, что и раньше: в этой большой банке я добываю углекислый газ, по своей природе и свойствам одинаковый с тем, который получался у нас при горении свечи в атмосферном воздухе. И как бы ни различались между собой эти два способа получения углекислого газа , вы к концу нашего исследования убедитесь, что он оказывается во всех отношениях одинаков, независимо от способа получения.

Перейдем к следующему опыту для выяснения природы этого газа. Вот здесь полная банка этого газа - испытаем его горением, т. е. так, как мы уже испытывали целый ряд других газов. Как видите, он и сам не горит и не поддерживает горения. Далее, растворимость его в воде незначительна: ведь, как вы видели, его легко собирать над водой. Кроме того, вы знаете, что он дает характерную реакцию с известковой водой, которая от него белеет; и наконец, углекислый газ входит как одна из составных частей в углекислую известь, т. е. известняк.

Теперь я покажу вам, что углекислый газ все-таки растворяется в воде, хоть и незначительно, и в этом отношении, стало быть, отличается от кислорода и водорода. Вот прибор для получения такого раствора. В нижней части этого прибора находятся мрамор и кислота, а в верхней - холодная вода . Клапаны устроены так, чтобы газ мог проходить из нижней части сосуда в верхнюю. Сейчас я пущу мой аппарат в действие… Видите, как сквозь воду поднимаются пузырьки газа. Аппарат работал у нас со вчерашнего вечера, и мы, несомненно, обнаружим, что сколько-нибудь газа уже успело раствориться. Я открываю кран, отливаю этой воды в стакан и пробую ее на вкус. Да, она кисловатая - в ней есть углекислота. Если ее слить с известковой водой, получится характерное побеление, доказывающее присутствие углекислоты.

Углекислый газ - очень тяжелый, он тяжелее атмосферного воздуха. В таблице приводятся массы углекислого газа и некоторых других газов, которые мы с вами исследовали.

Пинта Кубич. фут

(граны) (унции)

Водород. . . . 3/4 1/12

Кислород. . . . 11 9/10 1 1/3

Азот. . . . . . 10 4/10 1 1/6

Воздух. . . . . 10 7/10 1 1/5

Углекислый газ. 16 1/3 1 9/10

Тяжесть углекислого газа можно показать на целом ряде опытов. Прежде всего возьмем, например, высокий стакан, в котором нет ничего, кроме воздуха, и попытаемся налить в него немного углекислого газа из этого сосуда. По виду нельзя судить, удалось ли мне это или нет; но у нас есть способ проверки (опускает в стакан горящую свечку, она гаснет) . Вот видите, газ действительно перелился сюда. И если бы я испытал его известковой водой, это испытание дало бы тот же результат. У нас получился как бы колодец с углекислым газом на дне (к сожалению, с такими колодцами иногда приходится иметь дело в действительности); опустим в него вот это миниатюрное ведерко. Если на дне сосуда есть углекислый газ, его можно зачерпнуть этим ведерком и извлечь из "колодца". Сделаем проверку лучинкой… Да, смотрите, ведерко полно углекислого газа.

Рис. 30.

Вот еще один опыт, показывающий, что углекислый газ тяжелее воздуха. На весах уравновешена банка; сейчас в ней только воздух. Когда я в нее наливаю углекислый газ, она сразу же опускается от веса газа. Если я исследую банку горящей лучинкой, вы убедитесь, что туда действительно попал углекислый газ: содержимое банки не может поддерживать горение.

Рис. 31.

Если я надую мыльный пузырь своим дыханием, т. е., конечно, воздухом, и сброшу его в эту банку с углекислым газом, он не упадет на дно. Но сперва я возьму вот такой шарик, надутый воздухом, и при его посредстве проверю, где приблизительно приходится уровень углекислого газа в этой банке. Вот видите, шарик не падает на дно; я подливаю в банку углекислого газа, и шарик поднимается выше. Теперь посмотрим, удастся ли мне, надув мыльный пузырь, заставить его таким же образов держаться во взвешенном состоянии. (Лектор надувает мыльный пузырь и сбрасывает его в банку в углекислым газом, где пузырь и остается во взвешенном состоянии.) Видите, мыльный пузырь, как и воздушный шарик , держится на поверхности углекислого газа именно потому, что этот газ тяжелее воздуха, Из книги О чем рассказывает свет автора Суворов Сергей Георгиевич

Волновые свойства света. Опыт Юнга Ньютоновская корпускулярная гипотеза света господствовала очень долго - более полутораста лет. Но вот в начале XIX века английский физик Томас Юнг (1773-1829) и французский физик Огюстен Френель (1788-1827) произвели такие опыты, которые

Из книги О чем рассказывает свет автора Суворов Сергей Георгиевич

Свет и химические свойства атомов С оптическими спектрами атомов мы имеем дело с первых страниц нашей книжки. Это их наблюдали физики на заре развития спектрального анализа . Это они служили приметами для опознавания химических элементов , ибо у каждого химического

Из книги История свечи автора Фарадей Майкл

ЛЕКЦИЯ II СВЕЧА. ЯРКОСТЬ ПЛАМЕНИ. ДЛЯ ГОРЕНИЯ НЕОБХОДИМ ВОЗДУХ. ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ На прошлой лекции мы рассмотрели общие свойства и расположение жидкой части свечи, а также и то, каким образом эта жидкость попадает туда, где происходит горение. Вы убедились, что когда свеча

Из книги История свечи автора Фарадей Майкл

ЛЕКЦИЯ III ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ. ВОДА, ОБРАЗУЮЩАЯСЯ ПРИ ГОРЕНИИ. ПРИРОДА ВОДЫ. СЛОЖНОЕ ВЕЩЕСТВО. ВОДОРОД Надеюсь, вы хорошо помните, что в конце прошлой лекции я использовал выражение "продукты горения свечи". Ведь мы убедились, что когда горит свеча, мы можем при помощи

Из книги История свечи автора Фарадей Майкл

ЛЕКЦИЯ IV ВОДОРОД В СВЕЧЕ. ВОДОРОД СГОРАЕТ И ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ВОДУ. ДРУГАЯ СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ ВОДЫ - КИСЛОРОД Я вижу, вам еще не надоела свеча, иначе вы бы не стали проявлять столько интереса к этой теме. Когда наша свеча горела, мы убедились, что она дает в точности такую же воду,

Из книги История свечи автора Фарадей Майкл

ЛЕКЦИЯ VI УГЛЕРОД, ИЛИ УГОЛЬ. СВЕТИЛЬНЫЙ ГАЗ. ДЫХАНИЕ И ЕГО СХОДСТВО С ГОРЕНИЕМ СВЕЧИ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Одна дама, оказывающая мне честь посещением этих лекций, сделала мне еще и то одолжение, что любезно прислала мне вот эти две свечи, привезенные из Японии. Как видите, они еще

автора Этэрнус

Из книги Теория Вселенной автора Этэрнус

автора

20. Механические свойства твердых тел и биологических тканей Характерным признаком твердого тела является способность сохранять форму. Твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные.Отличительным признаком кристаллического состояния служит анизотропия –

автора

21. Механические свойства биологических тканей Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др.

Из книги Медицинская физика автора Подколзина Вера Александровна

30. Физические свойства и параметры мембран Измерение подвижности молекул мембраны и диффузия частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. Однако мембрана есть упорядоченная структура. Эти два факта предполагают, что

Из книги Медицинская физика автора Подколзина Вера Александровна

38. Напряженность магнитного поля и другие его свойства Напряженность магнитного поля зависит от свойства среды, а определяется только силой тока, протекающего по контуру. Напряженность магнитного поля, созданного постоянным током , слагается из напряженности полей,

Из книги Медицинская физика автора Подколзина Вера Александровна

39. Свойства магнетиков и магнитные свойства тканей человека Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. При отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически и их намагниченность равна нулю. Степень упорядоченности магнитных

автора

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Кислородная свеча – это устройство которое при помощи химической реакции позволяет получить кислород пригодный для потребления живыми организмами. Разработана технология группой ученых из России и Нидерландов. Широко используется спасательными службами многих стран, также самолетах, космических станциях вроде МКС. Главные достоинства этой разработки это компактность и легкость.

Кислородная свеча в космосе

Откуда берется кислород в самолете

В самолетах также используют кислородные генераторы на химической основе. Если борт будет разгерметизирован или случится другая поломка, возле каждого пассажира выпадает кислородная маска. Маска будет вырабатывать кислород в течение 25 минут, после чего химическая реакция остановится.

Как работает?

Кислород на борту летательного аппарата может храниться в газообразном, жидком и криогенном состоянии (§ 10.3), а также может находиться в связанном состоянии в соединении с некоторыми химическими элементами.

Потребность в кислороде на летательном аппарате определяется потреблением кислорода членами экипажа, величиной утечки его в окружающее пространство и необходимостью повторного создания давления в кабине регенерациоиного типа после ее вынужденной или аварийной разгерметизации. Потери кислорода при утечке из кабин космических кораблей обычно незначительны (например, на корабле «Аполлон» ~ 100г/ч).

Наибольшие расходы кислорода могут иметь хместо при повторном создании давления в кабине.

Количество кислорода, потребляемого человеком, зависит от веса человека, его физического состояния, характера и интенсивности деятельности, от соотношения в рационе питания белков, жиров и углеводов и от других факторов. Считается, что среднесуточное потребление кислорода человеком в зависимости от его энергетических затрат может изменяться от 0,6 до 1 кг. При разработке систем обеспечения жизнедеятельности для длительных полетов в качестве средней величины суточного потребления кислорода на 1 человека обычно принимается величина 0,9-1 кг.

Весовые и объемные характеристики данной системы регенерации зависят от времени полета и от характеристик системы хранения необходимых запасов кислорода и поглотителей вредных примесей.

Коэффициент а для системы хранения 02 в жидком состоянии составляет величину порядка 0,52-0,53, в криогенном состоянии - 0,7, а в газообразном состоянии - порядка 0,8.

Однако хранение кислорода в криогенном состоянии выгоднее, так, как в этом случае по сравнению с системой жидкого кислорода требуется более простая аппаратура, поскольку нет необходимости переводить кислород из жидкой в газообразную фазу в условиях невесомости.

Перспективными источниками кислорода являются некоторые химические соединения, содержащие большое количество Ог в связанном виде и легко его отдающие.

Целесообразность использования ряда высокоактивных химических соединений обоснована тем, что наряду с выделением кислорода в результате реакции они поглощают углекислый газ и воду, выделяемые в процессе жизнедеятельности экипажа. Кроме того, эти соединения способны дезодорировать атмосферу кабины, т. е. удалять запахи, токсические вещества и уничтожать бактерии.

Кислород в сочетании с другими элементами существует во многих химических соединениях. Однако лишь некоторые из них можно попользовать для получения О2. При работе на борту летательного аппарата химические соединения должны отвечать специфическим требованиям: 1) быть устойчивыми при хранении, безопасными и надежными в работе; 2) легко высвобождать кислород, причем с минимальным содержанием примесей; 3) количество высвобождаемого кислорода при одновременном поглощении С02 и Н20 должно быть достаточно большим, чтобы свести к минимуму вес системы с запасом веществ.

На космических летательных аппаратах целесообразно применять запасы кислорода в следующих химических соединениях: надперекисях щелочных металлов, перекиси водорода, хлоратах щелочных металлов.

Наиболее отработанным веществом выделения кислорода является надперекись калия.

Патроны с надперекисью пригодны для длительного хранения. Реакцией выделения кислорода из надперекиси калия можно легко управлять. Очень важно, что надперекиси выделяют кислород при поглощении углекислоты и воды. Можно обеспечить такое протекание реакции, при которой отношение объема поглощенной углекислоты к объему выделенного кислорода будет равно дыхательному коэффициенту человека.

Для осуществления реакции газовый поток, подлежащий обогащению кислородом и содержащий углекислый газ и пары

При первой основной реакции 1 кг К02 поглощает 0,127 кг воды и выделяет 236 л газообразного кислорода. При второй основной реакции 1 кг К02 поглощает 175 л углекислого газа и выделяет 236 л газообразного кислорода.

Из-за наличия вторичных реакций отношение объема выделенного в регенераторе кислорода к объему поглощенной углекислоты может изменяться в широких пределах и не соответствовать отношению объема кислорода, потребляемого человеком, к объему выделяемого им углекислого газа.

Протекание реакции того -или иного вида зависит от содержания паров воды и углекислоты газа в газовом потоке. С увеличением содержания паров воды увеличивается количество производимого кислорода. Регулирование производительности кислорода в регенерационном патроне и осуществляют путем изменения содержания паров воды на входе в патрон.

В качестве аварийных средств, предназначенных для быстрого производства кислорода, в случае, например, внезапной: разгерметизации кабины, применяют хлораты щелочных металлов (например, NaC103)t в. виде хлоратных свечей .

Практически возможный выход кислорода в этом случае ~40to/o. Реакция разложения хлоратов идет с поглощением тепла. Тепло, необходимое для протекания реакции, выделяется в результате окисления железного порощка, который добавляется в хлоратные свечи. Зажигание свечей производится фосфорной спичкой или электрозапалом. Хлоратные свечи горят со- скоростью порядка 10 мм/мин.

При использовании систем регенерации газовой среды в» кабине, основанных на запасах газообразного или криогенного- кислорода, требуется производить осушку газовой среды от паров воды, углекислого газа и вредных примесей.

Осушение газовой среды может осуществляться продувкой газа через поглотители воды или через теплообменники, охлаждающие газ ниже точки росы, с последующим отводом сконденсировавшейся влаги.

"Использование химического противоречия в инновационном проекте: кислородная свеча"

Волобуев Д.М., Егоянц П.А., Маркосов С.А. ЦИТК «Алгоритм» г.Санкт-Петербург

Аннотация.

В предыдущей работе мы ввели понятие химического противоречия (ХП), решаемого введением или удалением вещества из композиции. В данной работе мы разбираем алгоритм решения ХП на примере выполнения одного из инновационных проектов.

Введение

Химические противоречия довольно часто возникают в ходе выполнения инновационных проектов, однако не формулируются в явном виде, поэтому успешность таких проектов определяется только эрудицией и научной подготовкой изобретательского коллектива. Приведенная в нашей предыдущей работе классификация приемов решения ХП позволяет нам предложить здесь пошаговый алгоритм решения ХП, который призван систематизировать научный поиск и, возможно, облегчить представление результатов работы людям, далеким от такого поиска.

Потребность в решении ХП, как правило, возникает на заключительной (верификационной) стадии инновационного проекта. Возможные направления исследований, область приемлемых решений, и ограничения выявлены на предыдущих стадиях проекта. Предлагаемый алгоритм не претендует на полноту и должен дорабатываться по мере выполнения проектов.

Пошаговый алгоритм решения ХП

Сформулировать ХП
Выбрать способ решения : (1) Введение дополнительного вещества или (2) сепарации вещества из композиции. Сепарация обычно требует перевода вещества в жидкую или газовую фазу. Если по условиям задачи вещество находится в твердой фазе, выбирается способ (1)
Уточнить класс веществ или группу технологий для (1) или (2) соответственно.
Использовать функционально-ориентированный поиск (ФОП ) для выявления технологии, максимально близкой к искомой. Главным образом, поиск сфокусирован на научных статьях и патентах с подробным описанием технологий.
Использовать перенос свойств (ПС) с найденных объектов на улучшаемый.
Выбрать оптимизируемый состав исходя из результатов ФОП и ограничений проекта.
Спланировать серию экспериментов и, если требуется, построить лабораторную установку для оптимизации состава
Провести эксперименты и изобразить результаты оптимизации на фазовой диаграмме или треугольнике состава
Если результат оптимизации неудовлетворителен, вернуться к пункту 3 и модифицировать состав композиции или закончить работу .

Пример 1. Кислородная свеча (Катализатор).

Контекст: Эта проблема возникла в ходе изобретения "бездымной сигареты" - сигарета должна сгорать в герметичном футляре, поставляя курильщику дым только при затяжке.

Ограничения: футляр должен быть маленьким (носимым в кармане) и дешевым.

Нужно отметить, что сигарета в футляре гаснет за единицы секунд из-за выгорания кислорода, поэтому центральной задачей проекта была признана разработка дешевого (одноразового) химического генератора кислорода.

Возможное решение: Кислород поступает при разложении бертолетовой соли. Температура и скорость реакции снижается за счет добавки катализатора (Fe 2 O 3), снижающего порог активации.

Ход решения по шагам:

Формулировка ХП: Газообразный кислород должен быть в зоне горения, чтобы поддерживать горение и его не должно быть в зоне горения, чтобы избежать теплового взрыва.
Способ решения: Выбираем направление (1) - добавка дополнительного вещества, поскольку, исходя из условий задачи, мы должны запасти окислитель в твердом агрегатном состоянии.
Уточнение класса веществ: Вещества, выделяющие или поглощающие значительные количества энергии.
Результат ФОП: была найдена существующая на рынке система, выполняющая функцию генерации чистого кислорода - это т.н. кислородная свеча, широко используемая в пассажирских самолетах для аварийной поставки кислорода для дыхания пассажира. Устройство кислородной свечи довольно сложное (см., например, , ), и обычно включает в себя буферную накопительную емкость с системой клапанов, т.к. кислород выделяется быстрее, чем это необходимо потребителю.
Перенос свойств: Необходимо перенести свойство генерировать кислород с найденной кислородной свечи на искомую мини-свечу. Использование буферной емкости в нашем устройстве недопустимо, вследствие наложенных ограничений, поэтому дальнейшая работа свелась к оптимизации химического состава свечи.
Выбор состава композиции: В качестве базовой была выбрана двойная система горючее-окислитель со смещенным равновесием в сторону окислителя . В качестве доступного окислителя выступала бертолетова соль, в качестве горючего и связующего - крахмал.
Планирование экспериментов и лабораторная установка: Необходимо провести серию экспериментов смеси крахмала с бертолетовой солью с различными концентрациями крахмала, измерить время реакции и выход кислорода. С этой целью необходимо разработать и собрать лабораторную установку с возможностью дистанционного электрического поджига, визуального контроля времени реакции и количественной оценки концентрации кислорода. Собранная установка показана на Рис.1.
Результаты экспериментов и выводы: Первые эксперименты показали, что в этой двойной системе искомое решение отсутствует - при малых добавках горючего подожженная свеча гаснет в футляре, с увеличением количества горючего сгорание свечи происходит недопустимо быстро - за одну-две секунды вместо искомых единиц минут => Возврат к пункту 3. Шаги последующей повторной итерации обозначены индексом "+".
Способ решения+: добавка дополнительного вещества.
Уточнение класса веществ+: Катализаторы
ФОП и ПС+: Изучение устройства спички позволяет заключить, что катализаторами разложения бертолетовой соли являются MnO 2 и Fe 2 O 3
Выбор состава композиции+: к базовой композиции подмешивалось третье вещество – оксид железа (Fe 2 O 3), выступающее одновременно катализатором распада бертолетовой соли, снижающим порог активации реакции и инертным наполнителем, отводящим тепло из зоны реакции.
Планирование экспериментов и лабораторная установка+: прежняя (Рис.1). Эффект от добавки катализатора в смесь заранее неочевиден, поэтому подмешивание катализатора начинали с малых величин и с соблюдением техники безопасности.
Результаты экспериментов и выводы+: Вследствие двухступенчатого характера реакции распада бертолетовой соли, добавка катализатора заметно снижала температуру и, соответственно, скорость реакции.

Рис. 1. Лабораторная установка для определения параметров горения и концентрации кислорода в составе продуктов горения кислородной свечи.

Добавка катализатора, кроме того, позволила заметно понизить пограничное количество горючего в смеси, при котором еще поддерживается устойчивая реакция. Контрольная добавка в базовую двухкомпонентную систему инертного наполнителя (аэросил SiO 2) не привела к заметным изменениям скорости горения.

Напечатать