Những quan sát ban đầu và tầm quan trọng của oxy
Trước khi oxy được phát hiện là một nguyên tố hóa học, các tính chất và ảnh hưởng của nó đến sự cháy và hô hấp về cơ bản đã được biết đến. Con người từ lâu đã nhận ra rằng lửa và sự sống phụ thuộc vào không khí, nhưng vai trò chính xác của oxy vẫn chưa được biết đến – người ta vẫn chưa hiểu rằng oxy là thành phần chủ chốt chịu trách nhiệm cho những hiện tượng này.
- Cổ đại:
Ngay từ thời cổ đại, các nhà tư tưởng như Aristotle đã cố gắng mô tả thành phần của không khí. Người ta tin rằng không khí đồng nhất, và các quá trình đốt cháy và hô hấp có liên quan đến "ether mang lại sự sống". - Lý thuyết Phlogiston:
Vào thế kỷ 17 và 18, thuyết phlogiston được phát triển, cho rằng các chất dễ cháy chứa "phlogiston" được giải phóng trong quá trình đốt cháy. Tuy nhiên, bằng chứng cho giả thuyết này còn thiếu.
Sự phát hiện ra oxy
Việc phát hiện ra oxy như một nguyên tố hóa học được cho là nhờ công lao của một số nhà khoa học đã độc lập tiến hành nghiên cứu về thành phần của không khí và quá trình đốt cháy.
1. Carl Wilhelm Scheele (1772–1773)
Nhà hóa học người Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele là người đầu tiên phân lập được oxy bằng cách nung nóng oxit thủy ngân (HgO) và nitrat. Ông gọi nó là "không khí lửa" vì ông quan sát thấy nó hỗ trợ sự cháy. Tuy nhiên, công trình của ông không được công bố cho đến năm 1777, vài năm sau những khám phá của các nhà hóa học khác.
2. Joseph Priestley (1774)
Nhà hóa học người Anh Joseph Priestley đã độc lập phân lập được oxy bằng cách nung nóng oxit thủy ngân. Ông đặt tên cho khí mới phát hiện này là "không khí khử phlogiston" vì nó hỗ trợ sự cháy tốt hơn nhiều so với không khí thông thường. Priestley là người đầu tiên công bố phát hiện của mình, điều này đã mang lại cho ông sự công nhận rộng rãi.
3. Antoine Lavoisier (1777)
Nhà hóa học người Pháp Antoine Lavoisier đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu bản chất của oxy. Ông đã bác bỏ thuyết phlogiston ( phlogiston là một chất giả định, theo lý thuyết thế kỷ 17, có mặt trong tất cả các vật liệu dễ cháy. Trong quá trình đốt cháy, phlogiston được cho là sẽ giải phóng vào không khí, để lại tro hoặc xỉ như một vật liệu "tinh khiết". Lý thuyết này thịnh hành cho đến thế kỷ 18) và chứng minh rằng oxy là một nguyên tố hóa học tham gia vào quá trình đốt cháy và hô hấp. Trong tiếng Latin, oxy được gọi là "oxygenium ", xuất phát từ các từ tiếng Hy Lạp "oxys" (axit) và "genes" (sinh ra). Tên gọi này được Antoine Lavoisier đưa ra, người đã nhầm tưởng rằng oxy là thành phần chính của tất cả các axit. Trong phân loại các nguyên tố hóa học, oxy được ký hiệu bằng chữ O , và tên Latin của nó được sử dụng trong danh pháp khoa học, đặc biệt là trong ngữ cảnh của các hợp chất hóa học (ví dụ: "oxidum" - oxit).
Phát triển nghiên cứu oxy
Sau khi được phát hiện, nghiên cứu về oxy đã phát triển mạnh mẽ, điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với khoa học và công nghiệp:
- thế kỷ 19Oxy đã trở thành một yếu tố trung tâm trong nghiên cứu hóa học và sinh học. Người ta đã phát hiện ra rằng nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình hô hấp của sinh vật sống và trong các quá trình đốt cháy.
- KriogenikaNăm 1877, Louis Paul Cailletet và Raoul Pictet đã hóa lỏng oxy, mở đường cho việc tách và lưu trữ oxy trong công nghiệp.
- Cách mạng công nghiệpOxy bắt đầu được sử dụng trong luyện kim (quy trình Bessemer), y học (liệu pháp oxy) và công nghệ quân sự.
Oxy trong hợp kim kim loại đóng vai trò vừa có lợi vừa có hại, tùy thuộc vào nồng độ, điều kiện công nghệ và tính chất của hợp kim.
Ảnh hưởng của oxy đến tính chất của hợp kim
Tác dụng tích cực của sự hiện diện của oxy
- Tạo các lớp bảo vệ:
Trong một số hợp kim kim loại, chẳng hạn như nhôm, titan hoặc hợp kim chứa crom (ví dụ: thép không gỉ), oxy phản ứng với kim loại để tạo thành một lớp oxit mỏng (ví dụ: Al₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃). Các lớp này rất chắc chắn, bền và hoạt động như một lớp bảo vệ chống lại quá trình oxy hóa tiếp theo. ăn mòn. - Khả năng chịu nhiệt độ cao được cải thiện:
Đối với các hợp kim chịu nhiệt, sự hiện diện của các lớp oxit (lớp vảy) làm tăng khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, điều này rất quan trọng trong ngành năng lượng và hàng không. - Ổn định cấu trúc:
Oxy với lượng được kiểm soát có thể ổn định cấu trúc của hợp kim oxit kim loại, chẳng hạn như hợp kim gốm và kim loại (vật liệu composite kim loại-gốm), làm tăng độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn của chúng.
Oxy – tác hại của sự hiện diện của nó
- Sự hình thành các tạp chất oxit:
Trong một số trường hợp, oxy trong hợp kim có thể dẫn đến sự hình thành các tạp chất oxit, là những khuyết tật cấu trúc. Những khuyết tật này có thể làm suy giảm các tính chất cơ học của kim loại, chẳng hạn như độ bền và độ dẻo, và ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình gia công. - Tính giòn của hợp kim:
Nồng độ oxy quá cao có thể dẫn đến hiện tượng giòn hóa kim loại tăng lên, đặc biệt là ở các vật liệu như hợp kim titan, hợp kim magie và một số loại thép. Hiện tượng giòn hóa do oxy gây ra làm giảm độ bền của các cấu trúc và có thể dẫn đến hư hỏng sớm. - Các vấn đề trong quy trình sản xuất:
Oxy có mặt trong quá trình đúc hoặc hàn hợp kim có thể dẫn đến sự hình thành các lỗ rỗng, làm giảm chất lượng sản phẩm.
Kiểm soát hàm lượng oxy trong hợp kim kim loại
Để đảm bảo các đặc tính hợp kim tối ưu, việc kiểm soát hàm lượng oxy là vô cùng quan trọng trong các quy trình luyện kim:
- Quá trình khử khí:
Trong quá trình luyện kim, phương pháp hút chân không hoặc khử khí bằng hóa chất được sử dụng để giảm thiểu hàm lượng oxy. - Bổ sung chất khử oxy:
Trong luyện kim, các chất phụ gia như cacbon, silic hoặc mangan được sử dụng, chúng phản ứng với oxy để tạo thành oxit, sau đó được loại bỏ khỏi kim loại lỏng. - Bảo vệ chống lại sự xâm nhập của không khí:
Các quy trình sản xuất và gia công hợp kim thường được thực hiện trong môi trường bảo vệ như argon hoặc nitơ để ngăn ngừa quá trình oxy hóa.
Ví dụ về các hợp kim có hàm lượng oxy được kiểm soát.
Hợp kim nhôm:
Sự hình thành oxit trên bề mặt hợp kim nhôm tạo ra một lớp bảo vệ mỏng nhưng rất bền, giúp tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn. Hiện tượng này được khai thác đặc biệt trong quá trình anot hóa, một quá trình điện hóa giúp tăng cường lớp bảo vệ này và mang lại các đặc tính bổ sung, chẳng hạn như bề mặt hoàn thiện đẹp mắt hoặc độ cứng bề mặt cao hơn. Hợp kim nhôm được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và xây dựng nhờ trọng lượng nhẹ, độ bền cao và dễ gia công.
Hợp kim titan:
Oxy với lượng được kiểm soát giúp tăng cường độ bền cơ học của hợp kim titan, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như trong ngành hàng không vũ trụ, y học và công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên, lượng oxy dư thừa có thể gây giòn, làm hạn chế độ dẻo của vật liệu. Để ngăn chặn những tác động tiêu cực này, các quy trình sản xuất được kiểm soát chặt chẽ, đặc biệt là trong quá trình nấu chảy và xử lý luyện kim.
Stale nierdzewne:
Sự hiện diện của crom trong thép không gỉ (tối thiểu 10,5%) khiến nó phản ứng với oxy trong môi trường, tạo thành một lớp oxit crom mỏng, thụ động. Lớp này hoạt động như một lớp bảo vệ có khả năng tự phục hồi – nếu bị trầy xước hoặc hư hỏng, nó sẽ phản ứng với oxy và tái tạo lại. Những đặc tính này làm cho thép không gỉ trở nên vô cùng quý giá trong môi trường ẩm ướt, ăn mòn và nhiệt độ cao, chẳng hạn như trong ngành công nghiệp thực phẩm, y tế và hóa chất.
Hợp kim magie:
Magie và hợp kim của nó cực kỳ nhẹ, lý tưởng cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ và điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, lượng oxy dư thừa có thể dẫn đến quá trình oxy hóa nhanh các hợp kim này, làm giảm các tính chất cơ học của chúng. Do đó, trong quá trình sản xuất và bảo quản hợp kim magie, các lớp phủ bảo vệ đặc biệt hoặc môi trường được kiểm soát được sử dụng để hạn chế tiếp xúc với oxy.
Hợp kim đồng:
Oxy trong hợp kim đồng, chẳng hạn như đồng thau và đồng đỏ, có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của chúng. Một lượng nhỏ oxy trong đồng đỏ có thể cải thiện khả năng đúc, nhưng lượng oxy dư thừa sẽ dẫn đến hiện tượng rỗ xốp, cấu trúc yếu đi và giảm độ dẫn điện. Do đó, đồng không chứa oxy được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi độ dẫn điện cao.
Hợp kim niken:
Oxy đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các lớp bảo vệ trên bề mặt hợp kim niken như Inconel và Hastelloy , được sử dụng rộng rãi trong môi trường hóa chất khắc nghiệt và nhiệt độ cao. Lớp oxit của niken hoặc sự kết hợp của nó với crom mang lại khả năng chống ăn mòn và oxy hóa tuyệt vời, làm cho các vật liệu này trở nên không thể thiếu trong tua bin khí, lò công nghiệp và lò phản ứng hóa học.
Hợp kim coban:
Trong một số hợp kim coban được sử dụng trong y học (ví dụ: cấy ghép), sự hiện diện của lượng oxy được kiểm soát trong quá trình sản xuất giúp đạt được độ bền và khả năng chống mài mòn tối ưu. Tuy nhiên, lượng oxy dư thừa có thể dẫn đến hiện tượng giòn không mong muốn, đó là lý do tại sao các quy trình như nấu chảy chân không được sử dụng để sản xuất các vật liệu này.
Hợp kim Zirconium:
Oxy là một yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ hợp kim zirconium, tạo thành một lớp oxit zirconium có độ bền vượt trội. Lớp này cung cấp khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường nước và hóa chất, khiến zirconium trở nên không thể thiếu trong ngành công nghiệp hạt nhân và hóa chất. Tuy nhiên, lượng oxy dư thừa có thể dẫn đến tăng độ cứng và giảm độ dẻo của vật liệu.
Những ví dụ này cho thấy việc kiểm soát lượng oxy trong hợp kim kim loại ảnh hưởng đến các đặc tính của chúng như thế nào, cho phép chế tạo vật liệu phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và môi trường cụ thể.
Sự hiện diện của oxy trong hợp kim kim loại vừa là lợi thế vừa là thách thức. Việc kiểm soát nồng độ oxy trong các quy trình sản xuất và thiết kế vật liệu tận dụng được những đặc tính có lợi của nó là vô cùng quan trọng. Quản lý oxy đúng cách cho phép tạo ra các hợp kim có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và khả năng thích ứng với các điều kiện hoạt động cụ thể.
Sắt Than đá Chrom Niken Vanadi Mangan Krzem molypden vonfram Đồng Titan Glin coban Niob phốt pho Siarka Ôxy nitơ