Ciekły tlen, znany również jako LOX, LOx lub Lox (od angielskiego liquid oxygen) to tlen w formie płynnej o bladoniebieskiej barwie i silnych właściwościach paramagnetycznych. Jego gęstość wynosi 1,141 g/cm³, a temperatura wrzenia to −183 °C (90 K) przy standardowym ciśnieniu. Przechowuje się go zazwyczaj w kriogenicznych pojemnikach pod ciśnieniem atmosferycznym bądź lekko podwyższonym. Ciekły tlen jest produktem destylacji frakcyjnej skroplonego powietrza, podobnie jak ciekły azot.
W postaci ciekłej tlen jest łatwy do przechowywania i transportu. Jest często wykorzystywany jako utleniacz paliw rakietowych w pojazdach kosmicznych, zazwyczaj w połączeniu z ciekłym wodorem bądź naftą. Ciekły tlen był używany w pierwszych rakietach takich jak V2, Redstone, R-7, Atlas oraz w rakietach Saturn IB i Saturn V. Obecnie z tego rodzaju paliwa korzysta m.in. silnik Raptor od SpaceX. Użycie LOx pozwala na zmniejszenie masy utleniacza, co zwiększa impuls właściwy silnika rakietowego.
Zobacz również: Paliwa rakietowe – rodzaje, właściwości, kolory spalania
Ponadto, ciekły tlen jest wykorzystywany w przemyśle petrochemicznym i był stosowany w przeszłości do produkcji materiałów wybuchowych, choć obecnie jego użycie w tym celu zostało ograniczone ze względu na liczne wypadki.
Właściwości chemiczne i fizyczne
Ciekły tlen charakteryzuje się przejrzystą cyjanową barwą i jest silnie paramagnetyczny – można go zawiesić między biegunami potężnego magnesu podkowiastego. Ciekły tlen ma gęstość wynoszącą 1,141 kg/L (1,141 g/ml), co oznacza, że jest nieco gęstszy niż woda w stanie ciekłym. Jest substancją kriogeniczną o temperaturze zamarzania wynoszącej 54,36 K (−218,79 °C; −361,82 °F) i temperaturze wrzenia 90,19 K (−182,96 °C; −297,33 °F) przy ciśnieniu 1 bara (14,5 psi). Jego współczynnik rozprężania wynosi 1:861, co sprawia, że jest wykorzystywany w niektórych komercyjnych i wojskowych samolotach jako przenośny zapas tlenu do oddychania.
Z powodu swojej kriogenicznej natury, ciekły tlen może sprawiać, że materiały, z którymi ma kontakt, stają się bardzo kruche. Jest także silnym utleniaczem: materiały organiczne spalają się w jego obecności szybko i intensywnie. Dodatkowo, jeśli niektóre materiały, takie jak brykiety węglowe czy sadza, zostaną nasączone ciekłym tlenem, mogą nieprzewidywalnie wybuchać pod wpływem źródeł zapłonu, takich jak płomienie, iskry lub lekkie uderzenia.
Cząsteczka tetra-tlenu (O4) została po raz pierwszy zaobserwowana w 1924 roku przez Gilberta N. Lewisa, który zaproponował ją jako wyjaśnienie, dlaczego ciekły tlen nie przestrzega prawa Curie. Współczesne symulacje komputerowe wskazują, że choć w ciekłym tlenie nie ma stabilnych cząsteczek O4, cząsteczki O2 mają tendencję do tworzenia par z przeciwstawnymi spinami, formując tymczasowe jednostki O4.
Ciekły azot ma niższą temperaturę wrzenia wynoszącą −196 °C (77 K) w porównaniu do tlenu, którego temperatura wrzenia wynosi −183 °C (90 K). Naczynia zawierające ciekły azot mogą kondensować tlen z powietrza, co stwarza ryzyko gwałtownej reakcji ciekłego tlenu z materiałami organicznymi, gdy większość azotu wyparuje. Z kolei ciekły azot lub powietrze mogą być wzbogacane w tlen, gdy pozostają w otwartym powietrzu; tlen atmosferyczny rozpuszcza się w nich, podczas gdy azot odparowuje szybciej.
Pozyskiwanie
Proces produkcji ciekłego tlenu odbywa się za pomocą skomplikowanej metody zwanej destylacją kriogeniczną. Wykorzystuje ona zasady fizyki do oddzielania i zbierania tlenu w stanie ciekłym.
Na początku, powietrze atmosferyczne przechodzi przez filtrację w celu usunięcia zanieczyszczeń, po czym jest sprężane, co znacząco zwiększa jego ciśnienie. Następnie powietrze poddawane jest chłodzeniu w serii etapów, z każdym etapem obniżając temperaturę, aż osiągnie poziomy kriogeniczne, znacznie poniżej punktu zamarzania wody. Tak ekstremalne ochłodzenie prowadzi do skroplenia powietrza, co oznacza, że jego składniki, w tym tlen, azot i argon, istnieją razem w formie ciekłej.
Po skropleniu, powietrze poddawane jest destylacji frakcyjnej, precyzyjnej operacji, która wykorzystuje różnice w temperaturach wrzenia poszczególnych gazów do ich rozdzielenia. Proces ten odbywa się w kolumnie destylacyjnej, gdzie dokładnie kontrolowane są gradienty temperatur. W miarę jak mieszanina przemieszcza się przez kolumnę, gazy o niższych temperaturach wrzenia odparowują i unoszą się, podczas gdy te o wyższych temperaturach wrzenia, takie jak tlen, pozostają w stanie ciekłym i są zbierane w określonych punktach.
