Vloeibare suurstof

Vloeibare suurstof (blou) in 'n glasbeker.

In die lugvaart-, duikboot- en gasindustrie is vloeibare suurstof (of LOX in Engels) die vloeibare vorm van molekulêre suurstof. Dit is as die oksideermiddel in die eerste vloeibare brandstofvuurpyl gebruik, wat in 1926 deur Robert H. Goddard uitgevind is,^[1] 'n toepassing wat tot vandag toe voortgaan.

Eienskappe

Wanneer vloeibare suurstof uit 'n beker in 'n sterk magneetveld gegooi word, word die vloeistof tydelik tussen die magneetpole gehou, as gevolg van sy paramagnetisme.

Fisies

Vloeibare suurstof het 'n ligblou kleur en is sterk paramagneties: dit kan tussen die pole van 'n kragtige hoefystermagneet opgehou word.^[2] Dit het 'n digtheid van 1,141 kg/L (1,141 g/ml), effens digter as vloeibare water, en is kriogeen met 'n vriespunt van 54,36 K (−218,79 °C) en 'n kookpunt van 90,19 K (−182.96 °C) teen 15 psi. Vloeibare suurstof het 'n uitsettingsverhouding van 1:861 onder 1 standaard atmosfeer (100 kPa) en 20 °C, en daarom word dit in sommige kommersiële en militêre vliegtuie gebruik as 'n vervoerbare bron van asemhaling suurstof.^[3][4] Die oppervlakspanning van vloeibare suurstof by sy normale drukkookpunt is 13,2 dyn/cm.^[5]

Verbranding

As gevolg van die kriogeniese aard daarvan, kan vloeibare suurstof veroorsaak dat die materiale wat dit raak uiters bros word. Vloeibare suurstof is ook 'n baie kragtige oksideermiddel en daarom sal organiese materiale vinnig en energiek in vloeibare suurstof verbrand. Verder, as dit in vloeibare suurstof geweek word, kan sommige materiale soos steenkoolblokke, koolstofswart, ens., onvoorspelbaar ontplof vanaf bronne van ontsteking soos vlamme, vonke of impak van ligte houe. Petrochemikalieë, insluitend asfalt, vertoon dikwels ook hierdie gedrag.^[6]

Tetrasuurstof

Die tetrasuurstofmolekule (O₄) is die eerste keer in 1924 voorspel deur die Amerikaanse fisiese chemikus, Gilbert N. Lewis, wat dit voorgestel het om te verduidelik waarom vloeibare suurstof nie Curie se wet^{[Nota 1]} gehoorsaam nie.^[7] Moderne rekenaarsimulasies dui daarop dat, hoewel daar geen stabiele O₄-molekules in vloeibare suurstof is nie, is O₂-molekules geneig om in pare met antiparallelle spins te assosieer, wat kortstondige O₄-eenhede vorm.^[8]

Stikstof en suurstof

Vloeibare stikstof het 'n laer kookpunt (-196 °C) as suurstof s'n (-183 °C), en houers wat vloeibare stikstof bevat kan suurstof uit die lug kondenseer. Wanneer die meeste van die stikstof uit so 'n houer verdamp het is daar 'n risiko dat vloeibare suurstof sal oorbly en heftig met organiese materiaal kan reageer. Omgekeerd kan vloeibare stikstof of vloeibare lug suurstof-verryk word deur dit in die buitelug te laat staan. Atmosferiese suurstof los daarin op terwyl stikstof by voorkeur verdamp.

Gebruike

’n Tegnikus van die Amerikaanse lugmag dra vloeibare suurstof oor na ’n Lockheed Martin C-130J Super Hercules-vliegtuig by die Bagram-vliegveld, Afghanistan.

In die handel word vloeibare suurstof as 'n industriële gas geklassifiseer en dit word wyd gebruik vir industriële en mediese doeleindes. Vloeibare suurstof word verkry uit die suurstof wat natuurlik in lug voorkom deur fraksionele distillasie in 'n kriogeniese lugskeidingsaanleg.

Lugmagte het lank reeds die strategiese belangrikheid van vloeibare suurstof besef, beide as 'n oksideermiddel en as 'n toevoer van gasvormige suurstof vir menslike asemhaling in hospitale en tydens vlugte van hoëhoogte-vliegtuie. In 1985 het die Amerikaanse Lugmag 'n program begin om sy eie suurstofopwekkingsfasiliteite by alle groot verbruiksbasisse te bou.^[9][10]

SpaceX se vloeibare suurstofbal by Cape Canaveral

Vloeibare suurstof is die mees algemene kriogene vloeibare oksideerdryfmiddel vir ruimtetuigvuurpyl-toepassings, gewoonlik in kombinasie met vloeibare waterstof, keroseen of metaan.^[11] Elon Musk het in 2012 by die Koninklike Lugvaartvereniging in Londen gesê "Ons gaan metaan doen", soos hy sy toekomsplanne vir herbruikbare lanseervoertuie beskryf het, insluitend dié wat ontwerp is om ruimtevaarders binne 15 jaar na Mars te neem. "Die energiekoste van metaan is die laagste en dit het 'n effense spesifieke impulsvoordeel bo keroseen en dit het nie die risikofaktor wat waterstof het nie. SpaceX se aanvanklike plan sal wees om 'n lox/metaanvuurpyl vir 'n toekomstige boonste stadium te bou, met kodenaam Raptor. Die nuwe Raptor-boonste stadium-enjin sal waarskynlik net die eerste enjin in 'n reeks lox/metaan-enjins wees."^[12]

Vloeibare suurstof is in die eerste vloeibare brandstofaangedrewe vuurpyl gebruik. Gedurende die Tweede Wêreldoorlog het V-2-vuurpyle ook vloeibare suurstof onder die naam A-Stoff en Sauerstoff gebruik. In die 1950's, tydens die Koue Oorlog, het beide die Verenigde State se Redstone- en Atlas-vuurpyle, en die Sowjet R-7 Semyorka vloeibare suurstof gebruik. Later, in die 1960's en 1970's, het die opstygfases van die Apollo Saturn V-vuurpyle, en die ruimtependeltuig-hoofenjins vloeibare suurstof gebruik.

Geskiedenis

Teen 1845 het Michael Faraday daarin geslaag om die meeste gasse wat toe bekend was vloeibaar te maak. Ses gasse het egter elke poging tot vervloeiing weerstaan en was destyds bekend as "permanente gasse".^[13] Hulle was suurstof, waterstof, stikstof, koolstofmonoksied, metaan en stikstofoksied. In 1877 het Louis Paul Cailletet in Frankryk en Raoul Pictet in Switserland daarin geslaag om die eerste druppels vloeibare lug te produseer. In 1883 het Poolse professore Zygmunt Wróblewski en Karol Olszewski die eerste meetbare hoeveelheid vloeibare suurstof geproduseer.

Aantekeninge

1. Curie se wet (of Curie-Weiss se wet): Vir baie paramagnetiese materiale is die magnetisering van die materiaal direk eweredig aan 'n toegepaste magnetiese veld, vir voldoende hoë temperature en klein velde. As die materiaal egter verhit word, word hierdie proporsionaliteit verminder. Vir 'n vaste waarde van die veld is die magnetiese vatbaarheid omgekeerd eweredig aan temperatuur.

Verwysings

1. "March 16: First liquid-fueled rocket". history.com (in Engels). Besoek op 23 Junie 2022.
2. Moore, J.; Stanitski, C.; Jurs, P. (2009). Principles of Chemistry: The Molecular Science. Available Titles OWL Series (in Engels). Cengage Learning. p. 297. ISBN 978-0-495-39079-4.
3. Spencer, Eric W. (7 Junie 2008). "Cryogenic Safety". chemistry.ohio-state.edu (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 7 Junie 2008. Besoek op 23 Junie 2022.
4. "Characteristics of cryogenic liquids". lindecanada.com (in Engels). 18 Februarie 2012. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 18 Februarie 2012. Besoek op 23 Junie 2022.
5. Jurns, J. M.; Hartwig, J. W. (2011). "Liquid Oxygen Liquid Acquisition Device Bubble Point Tests With High Pressure LOX at Elevated Temperatures" (PDF). Nasa Techincal Reports Server (in Engels). p. 4. Besoek op 23 Junie 2022.
6. "Liquid Oxygen handling, receipt, transfer, strorage and disposal - Training flim 23004". Internet Archive (in Engels). 14 Januarie 2022. Besoek op 23 Junie 2022.
7. Lewis, Gilbert N. (1924). "The Magnetism of Oxygen and the Molecule O₂". Journal of the American Chemical Society (in Engels). 46 (9): 2027–2032. doi:10.1021/ja01674a008.
8. Oda, Tatsuki; Pasquarello (2004). "Noncollinear magnetism in liquid oxygen: A first-principles molecular dynamics study". Physical Review B (in Engels). 70 (134402): 1–19. Bibcode:2004PhRvB..70m4402O. doi:10.1103/PhysRevB.70.134402. hdl:2297/3462.
9. Arnold, Mark. "U.S. Army Oxygen Generation System Development". dtic.mil (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 15 Maart 2017. Besoek op 23 Junie 2022.
10. Timmerhaus, K. D. (1957). Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the 1957 Cryogenic Engineering Conference, National Bureau of Standards Boulder, Colorado, August 19–21, 1957 (in Engels). Springer Science & Business Media. p. 150. ISBN 978-1-4684-3105-6.
11. Belluscio, Alejandro G. (7 Maart 2014). "SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power". NASAspaceflight.com (in Engels). Besoek op 23 Junie 2022.
12. Todd, David (20 November 2012). "Musk goes for methane-burning reusable rockets as step to colonise Mars". FlightGlobal Hyperbola (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 28 November 2012. Besoek op 23 Junie 2022.
13. "Cryogenics - humans, body, used, process, Earth, form, energy, methods, gas". Science Clarified (in Engels). 18 Mei 2013. Besoek op 23 Junie 2022.