اکسیژن را میتوان یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۸ (هشت پروتون در هسته خود دارد)، و یک مولکول (O2) که از دو اتم تشکیل شده و در دماها و فشارهای معمولی گازی بی رنگ است معرفی کرد.
اتم های اکسیژن بسیار واکنش پذیر هستند و در بسیاری از ترکیبات شیمیایی رایج شرکت کرده و با آنها ترکیب می شوند.
تقریبا ۲۱ درصد از جو زمین از اکسیژن تشکیل شده است. اما همیشه اینطور نبوده و در اوایل تاریخ سیاره ما، جو خالی از اکسیژن بوده است. اکسیژن موجود در جو فعلی توسط میکروب هایی که غذای خود را از طریق فتوسنتز تولید می کردند بوجود امد. آنها اکسیژن را به عنوان یک محصول جانبی تولید کرده و اکسیژن حاصل به شدت محیط سیاره ما و تاریخ حیات را تغییر داد.
اکسیژن یعنی زندگی
اکسیژن برای زندگی یک عامل حیاتی است. اکثر موجودات زنده ، برای تنفس سلولی از اکسیژن استفاده می کنند. تنفس سلولی سبب میگردد که طی آن سلول انرژی دریافت کند. گیاهان نیز از اکسیژن برای تنفس سلولی استفاده می کنند.همچنین در طی یک فرآیند جداگانه ( فتوسنتز ) گیاهان دی اکسید کربن را از محیط دریافت نموده و اکسیژن آزاد میکنند. با کاهش نور، سرعت فتوسنتز کمتر از سرعت تنفس است. با افزایش نور، سرعت فتوسنتز بیشتر از سرعت تنفس است و اکسیژن با میزان بیشتری نسبت به مصرف ، تولید می شود. در نتیجه اکسیژن اضافی در جو آزاد می شود.
اکسیژن همچنین با ایجاد مولکولی که از سه اتم را تشکیل شده (اوزون (O3)) در لایه استراتوسفر زمین با مسدود نمودن بیشتر تابش مضر UV خورشید نقش مفیدی ایفا نماید. لازم به ذکر است ازن در لایه تروپوسفر یک آلاینده بسیارخطرناک است.
موارد استفاده گاز اکسیژن
با مایع نمودن اکسیژن می توان از آن به طور موثرتری در حمل و ذخیره سازی آن استفاده کرد. با این حال، بیشتر کاربردها از اکسیژن به صورت گازی است.
موارد زیر بعضی از کاربرد های اکسیژن هستند:
- در صنایع بهداشتی و پزشکی
- به عنوان سوخت های مایع در سیستم های پیشران موشک ها
- در صنایع فلزی همراه با استیلن و سایر گازهای سوختی برای برش فلز، جوشکاری، سخت شدن، تمیز کردن و ذوب مورد استفاده قرار میگیرد.
- سازندگان فولاد و آهن همچنین به طور گسترده از اکسیژن یا هوای غنی شده با اکسیژن برای تأثیرگذاری بر تصفیه و حرارت شیمیایی مرتبط با حذف کربن و سایر واکنش های اکسیداسیون استفاده می کنند.
- در صنایع شیمیایی و نفت، از اکسیژن به عنوان یک جزء خوراک برای واکنش با بلوک های ساختمانی هیدروکربنی برای تولید مواد شیمیایی مانند الکل ها و آلدئیدها استفاده می شود.
- صنعت خمیر و کاغذ از اکسیژن به عنوان عامل سفید کننده و اکسید کننده استفاده می کند.
- به طور مشابه، اکسیژن فرآیند احتراق را در صنایعی که شیشه، آلومینیوم، مس، طلا، سرب، و سیمان تولید میکنند یا در سوزاندن یا اصلاح زبالهها نقش دارند، افزایش میدهد.
- تصفیه خانه های فاضلاب با موفقیت از اکسیژن برای افزایش کارایی فرآیند شیمیایی خود استفاده می کنند.
- آبزی پرورانی مانند پرورش دهندگان ماهی نیز مزایایی را در سلامت یا اندازه دام خود می بینند که محیط میزبان اکسیژن دار باشد.
- کاربرد موثر در قواصی و کوهنوردی
اثرات سلامتی در صورت افزایش غلظت اکسیژن
همان گونه که اطلاع دارید هوا محیط اطراف حاوی ۲۱ درصد اکسیژن است و اکسیژن اساساً غیرسمی می باشد و تا کنون پزشکان هیچ اثری بر سلامتی افرادی که در معرض غلظت های تا ۵۰ درصد در ۱ اتمسفر( به مدت ۲۴ ساعت یا بیشتر) قرار گرفته اند مشاهده نکرده اند.
در صورت افزایش غلظت و استنشاق اکسیژن 80 درصد در ۱ اتمسفر به مدت بیش از ۱۲ ساعت ، می تواند سبب علائمی چون: تحریک دستگاه تنفسی، کاهش ظرفیت حیاتی، سرفه، گرفتگی بینی، گلودرد ، درد قفسه سینه و بعداً احتقان و اِدم ریوی شود.
در صورت استنشاق اکسیژن خالص در فشارهای بیشتر از ۲ یا ۳ اتمسفر ، یک سندرم عصبی مشخص، می تواند مشاهده شود. از علائم و نشانههای این سندرم میتوان به : تهوع، سرگیجه، استفراغ، خستگی، سبکی سر، تغییرات خلقی، سرخوشی، گیجی، ناهماهنگی، انقباض عضلانی، احساس سوزش/ سوزن سوزن شدن (به ویژه در انگشتان دست و پا) و از دست دادن هوشیاری. تشنجهای مشخصهای شبیه صرع که ممکن است قبل از آن اختلالات بینایی مانند از دست دادن بینایی محیطی، اشاره نمود. در صورت قرار گرفتن در معرض مداوم ، باعث تشنج های شدید که منجر به مرگ میگردد، شود. این اثرات پس از کاهش فشار اکسیژن و قرارگیری در شرایط عادی جوی برگشت پذیر است.
نوزادانی که به صورت نارس به دنیا می آیند و برای تنفس اکسیژن در غلظت های بیشتر از هوا در انکوباتورها قرار می گیرند، گاها آسیب چشمی برگشت ناپذیری را تجربه میکنند. شش ساعت پس از قرار گیری نوزاد در فضایی با اکسیژن بالا، انقباضات عروقی، عروق نابالغ شبکیه رخ می دهد که اگر کودک فوراً به به شرایط و فشار عادی برگردد، برگشت پذیر است، اما اگر در محیط غنی از اکسیژن بماند، علائم فوق برگشت ناپذیر است.
ظروف
مطابق با نیاز مصرف کنندگان، اکسیژن گازی در سیلندرها و مخازن با فشار بالا، حمل و ذخیره میشود. سیلندرها بر اساس کدها و مشخصات مربوط به فشار و دما طراحی شده و سپس ساخته می شوند. لازم به است سیلندرها بر اساس مقررات و استاندارد های مربوط حمل و نقل تولید می شوند که مواد اولیه، طراحی و روش تولید، آزمایش و گاز هایی که مجاز به شارژ کردن آنها هستند ، سبب مشخص نمودن سایر جزئیات سیلند هستند. مقدار حجم گازی که یک سیلندر می تواند در خود نگه دارد با فشار و حجم داخلی تولید کننده آن تعیین می شود.
رعایت الزامات ذخیره سازی سیلندر و گاز اکسیژن
- سیلندرها باید همیشه به صورت عمودی و در مکانی با تهویه مناسب، خشک، خنک، امن و ترجیحاً مقاوم در برابر آتش باشد، نگهداری شوند.
- هیچ بخشی از سیلندر نمیتواند بیش از ۱۲۵ درجه فارنهایت (۵۲ درجه سانتیگراد) گرم شود، و محل ذخیره سازی سیلندر های اکسیژن باید عاری از مواد قابل احتراق باشند. هرگز با گرم نمودن بیش از حد یک سیلندر، سبب افزایش فشار آن یا افزایش سرعت تخلیه نشوید.
- سیلندرها باید از مناطق پر رفت و آمد و خروجی های اضطراری دور نگهداری شوند.
- از انبار کردن در مناطقی که نمک و سایر مواد خورنده وجود دارد اجتناب کنید.
- هنگام خالی شدن سیلندرها و کاهش فشار گاز درون آن ، اطمینان حاصل نمایید که شیر بسته است و مقداری فشار مثبت در سیلندر باقی می ماند. همچنین سیلندر را با عنوان «خالی» برچسب زده و هرگز ظروف پر و خالی را با هم نگهداری نکنید.
- استفاده از تابلوهای «سیگار ممنوع» و «شعله روشن ممنوع» را در محل های نگهداری و استفاده سیلندر ها نصب کنید.
- سیلندر های اکسیژن میبایست از مواد قابل اشتعال و قابل احتراق با فواصل تعیین شده توسط استانداردها و مقررات ، جدا گردد.
- هرگز سیلندرها را رها نکنید، نکشید، نغلتانید بلکه حتما. برای جا به جایی سیلندر از یک گاری یا ترالی دستی با طراحی مخصوص استفاده کنید.
- هرگز یک سیلندر را با درپوش و کلاهک آن بلند نکنید.
- هرگز اجازه تماس به موادی چون روغن، گریس یا موادی که به راحتی قابل احتراق هستند با سیلندرها یا سوپاپ ها آن ندهید.
- فقط مجاز به استفاده از روان کننده های سازگار با اکسیژن هستید.
- همیشه شیر سیلندر گاز فشرده را به آرامی باز کرده تا از خروج فشار سریع سیستم و رخداد حادثه ها، جلوگیری شود.
- هرگز از اجسامی چون: آچار، پیچ گوشتی، میله سوراخ کن و غیره را برای باز نمودن درپوش یا کلاهک سیلندر استفده نکنید. انجام این کار ممکن است به آسیب برساند. فقط از یک آچار تسمه ای طراحی شده مخصوص برای باز کردن کلاهک های بیش از حد سفت یا زنگ زده استفاده کنید.
- هرگز وسایل ایمنی روی شیرها یا سیلندرها را دستکاری نکنید.
- همیشه از یک رگولاتور کاهش دهنده فشار یا شیر کنترل جداگانه همراه با دستگاه های فشار شکن با طراحی مناسب برای تخلیه ایمن گاز به سیستم های کار استفاده کنید.
- در محلی که از اکسیژن استفاده می شود میبایست تهویه کافی فراهم شود . در صورت افزایش غلظت اکسیژن در اتمسفر، موادی که در هوا می سوزند ، میتوانند با شدت بیشتر یا حتی انفجاری بسوزند و در نتیجه قرار گرفتن در معرض خطر بالقوه برای پرسنل و مواد افزایش می یابد.
- توجه به این نکته که شیمی آتش در محیط های غنی از اکسیژن شروع به تغییر می کند، بسیار حائز اهمیت میباشد. سازمان بین المللی استاندارد (ISO) ، اتمسفر غنی شده با اکسیژن را با عنوان ، هر اتمسفر حاوی بیش از ۲۳.۵ درصد اکسیژن، تعریف کرده است. در نتیجه موادی که به راحتی در هوا مشتعل می شوند در محیط های غنی نه تنها مستعد اشتعال می شوند بلکه با شدت بیشتری نیز می سوزند. لباس و مو نیز شامل این مواد هستند که دارای فضاهای حفره مانند برای به دام انداختن اکسیژن هستند.
- پرسنل باید قبل از اینکه اجازه کار با اکسیژن و تجهیزات مربوط به آن، به طور کامل با خواص و نکات ایمنی آشنا باشند.
- هنگام کار با سیلندرها،از عینک ایمنی، کفش ایمنی و دستکش کار چرمی استفاده نمایند.
حریق توسط اکسیژن
اکسیژن قابل احتراق نیست و به خودی خود نمی سوزد، اما برای احتراق لازم است. اکسیژن یکی از ۳ ضلع مثلث آتش است که سوخت و گرما دو جزء دیگر این مثلث هستند. گرمای تولید شده توسط سوخت و اکسیژن، آتش را حفظ کرده و تا زمانی که سوخت و اکسیژن کافی در محل آتش سوزی وجود داشته باشد، آتش سوزی ادامه خواهد داشت. نحوه عملکرد کپسول های آتش نشانی، مبتنی بر آب با حذف گرما از آتش عمل کرده و یا دی اکسید کربن و خاموش کننده های شیمیایی خشک با خفه کردن آتش و قطع جریان اکسیژن کار می کنند.
تمام سیلندرها برای تخلیه محتویات داخل سیلندر هنگام قرار گرفتن در معرض دماهای بالا مطابق با استادارد های مربوطه طراحی شده اند ولی با این حال، اگر سیلندر در معرض حرارت یا شعله شدید قرار بگید ، امکان تخلیه گاز داخل سیلندر به طور سریع و یا ترکیدن یک سیلندر وجود دارد.
واکنش احتراق معمولاً به نام “سوختن” شناخته می شود. در طی این واکنش ، اکسیژن با ماده سوختی واکنش شیمیایی می دهد. هم اکسیژن و هم ماده سوختی (واکنش دهنده ها) در طی واکنش احتراق مصرف شده، و مواد جدید (محصولات) و انرژی گرمایی تولید می شوند. از آنجایی که گرما تولید می شود، در نتیجه احتراق یک واکنش گرمازا است.
واکنش های احتراق را می توان با معادله شیمیایی زیر توصیف کرد:
Substance being burned + Oxygen —–> Products + Heat
لازم به ذکر است که برای پیدا کردن محصولات واقعی یک واکنش احتراق ، بابید بدانیم که چه ماده ای می سوزد و چه مقدار اکسیژن موجود است.
نمونه هایی از احتراق عناصر در شکل زیر نشان داده شده است.
Element + Oxygen —–> Oxide of Element + Heat
C(s) + O۲(g) —–> CO۲(g) + Heat
Carbon + Oxygen —–> Carbon Dioxide + Heat
2Hg (I) + o۲ (g) —–> 2Hgo (s) + Heat
Mercury + Oxygen —–> Mercury (II) Oxide + Heat