روش های تهیه اکسیژن

تشکیل اکسیژن در کیهان، و استخراج آن در آزمایشگاه و در صنعت

اکسیژن موجود بر روی زمین که به صورت مخلوط با نیتروژن در هوا وجود دارد(یک پنجم هوا اکسیژن است) و همچنین به صورت گازهای کربن منو اکسید و کربن دی اکسید و بخار آب در هوا و  در پوسته زمین به صورت آب یا ترکیب با عناصر دیگر موجود می باشد.

در این مقاله ابتدا به چگونگی پیدایش اکسیژن در کیهان و سپس به روش های آزمایشگاهی و صنعتی استخراج اکسیژن می پردازیم.

ایزوتوپ‌ها و منشأ ستاره‌ای اکسیژن

ایزوتوپ‌های اکسیژن

اکسیژن طبیعی از سه ایزوتوپ پایدار¹⁶O, ¹⁷O و  ¹⁸Oتشکیل شده است که ¹⁶O فراوان‌ترین آنهاست (99.762٪ فراوانی طبیعی).

ایزوتوپ ¹⁶O  یکی از محصولات غالب همجوشی در ستارگان عظیم است. این ایزوتوپ در پایان فرآیند همجوشی هلیوم با مقداری سنتز در فرآیند گداخت نئون سنتز می‌شود.  هر دو ¹⁷O و ¹⁸O به هسته‌های بذر نیاز دارند. ¹⁷O در درجه اول با گداخت هیدروژن به هلیوم در طول چرخه CNO ساخته می‌شود و آن را به یک ایزوتوپ رایج در مناطق گداخت هیدروژن ستارگان تبدیل می‌کند.  بیشتر ¹⁸O زمانی تولید می‌شود که ¹⁴N (که از گداخت CNO به وفور تولید می‌شود) یک هسته ¹⁴He را به دام می‌اندازد و ¹⁸O را در مناطق غنی از هلیوم ستارگان عظیم و تکامل‌یافته رایج می‌کند.

پانزده رادیوایزوتوپ شناسایی شده‌اند که از ¹¹O تا ²⁸O متغیرند. پایدارترین آنها ¹⁵O با نیمه عمر 122.24 ثانیه و ¹⁴O با نیمه عمر 70.606 ثانیه هستند. تمام ایزوتوپ‌های رادیواکتیو باقی‌مانده نیمه عمری کمتر از 27 ثانیه دارند و اکثر آنها نیمه عمری کمتر از 83 میلی‌ثانیه دارند. رایج‌ترین حالت واپاشی ایزوتوپ‌های سبک‌تر از ¹⁶O واپاشی β+ برای تولید نیتروژن است و رایج‌ترین حالت برای ایزوتوپ‌های سنگین‌تر از ¹⁸O واپاشی بتا برای تولید فلوئور است.

روش‌های اصلی تولید اکسیژن در آزمایشگاه و صنعت

I. روش‌های آزمایشگاهی

این روش‌ها معمولاً مقادیر کمی اکسیژن تولید می‌کنند و برای آزمایش‌ها، نمایش‌ها یا تحقیقات در مقیاس کوچک استفاده می‌شوند.

۱. تجزیه حرارتی ترکیبات خاص:

• تجزیه پتاسیم کلرات (KClO₃): این یک روش آزمایشگاهی کلاسیک است. هنگامی که پتاسیم کلرات در حضور کاتالیزور (معمولاً دی‌اکسید منگنز، MnO₂) به شدت گرم می‌شود، پتاسیم کلرات تجزیه می‌شود و گاز اکسیژن و پتاسیم کلرید (KCl) تولید می‌کند.

* واکنش:

2KClO₃(s) → 2KCl(s) + 3O₂(g)

* توجه: دی‌اکسید منگنز به عنوان کاتالیزور عمل می‌کند و واکنش را سرعت می‌بخشد اما در فرآیند مصرف نمی‌شود. گرم کردن پتاسیم کلرات بدون کاتالیزور می‌تواند خطرناک باشد و منجر به تجزیه کنترل نشده شود. • تجزیه پرمنگنات پتاسیم (KMnO₄): حرارت دادن پرمنگنات پتاسیم، همراه با دی اکسید منگنز و منگنات پتاسیم، اکسیژن نیز تولید می‌کند.

* واکنش:

2KMnO₄(s) → K₂MnO₄(s) + MnO₂(s) + O₂(g)

• تجزیه اکسید جیوه (HgO): روش تاریخی (به دلیل سمیت جیوه، اکنون کمتر رایج است).

* واکنش:

2HgO(s) → 2 Hg(l) + O₂(g)

۲. الکترولیز آب:

• عبور جریان الکتریکی از آب باعث تجزیه آن به گاز هیدروژن در کاتد (الکترود منفی) و گاز اکسیژن در آند (الکترود مثبت) می‌شود.

• واکنش:

2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)

• توجه: افزودن مقدار کمی الکترولیت (مانند اسید سولفوریک یا هیدروکسید سدیم) رسانایی آب را افزایش داده و الکترولیز را کارآمدتر می‌کند.

۳. واکنش‌های شیمیایی شامل پراکسید هیدروژن (H₂O₂):

• پراکسید هیدروژن در حضور کاتالیزور (مانند دی اکسید منگنز، یدید پتاسیم) به آب و اکسیژن تجزیه می‌شود.

• واکنش:

2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g)

• توجه: این واکنش گرمازا است و می‌تواند بسیار شدید باشد، بنابراین کنترل سرعت افزودن کاتالیزور مهم است.

۴. تجزیه پراکسید سدیم (Na₂O₂):

• پراکسید سدیم با آب واکنش داده و گاز اکسیژن و هیدروکسید سدیم تولید می‌کند. • واکنش: 2

Na₂O₂(s) + 2 H₂O(l) → 4 NaOH(aq) + O₂(g)

II. روش‌های صنعتی

این روش‌ها برای تولید مقادیر زیادی اکسیژن برای کاربردهای مختلف صنعتی و پزشکی استفاده می‌شوند.

1. تقطیر جزء به جزء هوای مایع: این رایج‌ترین روش صنعتی برای تولید اکسیژن است.

• فرآیند:
* ابتدا هوا فیلتر می‌شود تا گرد و غبار و سایر ناخالصی‌ها از آن جدا شود.
* هوا خنک و فشرده می‌شود، سپس به سرعت منبسط می‌شود و باعث خنک شدن بیشتر آن می‌شود. این فرآیند تا زمانی که هوا مایع شود تکرار می‌شود.
* سپس هوای مایع تقطیر جزء به جزء می‌شود. نیتروژن نقطه جوش پایین‌تری (-196 درجه سانتیگراد) نسبت به اکسیژن (-183 درجه سانتیگراد) دارد، بنابراین ابتدا می‌جوشد و اکسیژن مایع نسبتاً خالص باقی می‌ماند.
* سپس اکسیژن می‌تواند به صورت مایع ذخیره شود یا به صورت بخار به گاز تبدیل شود. • مزایا: نسبتاً ارزان است و می‌تواند مقادیر زیادی اکسیژن با خلوص بالا تولید کند.
• معایب: برای مایع کردن هوا به مقدار قابل توجهی انرژی نیاز دارد.

۲. جذب نوسان فشار (PSA):
• فرآیند:
* این روش از یک ماده جاذب جامد (مثلاً زئولیت‌ها) برای جذب انتخابی نیتروژن از هوا در فشار بالا استفاده می‌کند.
* سپس گاز غنی شده با اکسیژن جمع‌آوری می‌شود.
* هنگامی که جاذب با نیتروژن اشباع می‌شود، فشار کاهش می‌یابد و نیتروژن آزاد می‌شود و جاذب برای یک چرخه دیگر احیا می‌شود.
• مزایا: ساده‌تر و از نظر انرژی کارآمدتر از تقطیر جزء به جزء، به ویژه برای تولید در مقیاس کوچک‌تر.
• معایب: اکسیژن با خلوص کمتری نسبت به تقطیر جزء به جزء تولید می‌کند (معمولاً حدود ۹۰-۹۵٪ خلوص). ۳. جداسازی غشایی:
• فرآیند:
* هوا از یک غشای نیمه‌تراوا عبور داده می‌شود که به طور انتخابی به اکسیژن اجازه می‌دهد راحت‌تر از نیتروژن عبور کند.

* این منجر به ایجاد یک جریان غنی از اکسیژن در یک طرف غشا می‌شود.
• مزایا: نسبتاً ساده و از نظر انرژی کارآمد، مناسب برای تولید در مقیاس کوچک تا متوسط.
• معایب: در مقایسه با سایر روش‌ها، اکسیژن با خلوص نسبتاً کم تولید می‌کند.

سرچشمه ها:

https://www.nagwa.com/

https://www.wikiwand.com

https://sites.prairiesouth.ca/

https://www.dreamstime.com/

Welcome to Science Info

Home