اکسیژن (O) عنصر گروه شانزدهم جدول تناوبی، عدد اتمی 8 و یکی از واکنش‌پذیرترین نافلزهاست. شکل رایج آن در طبیعت «دی‌اکسیژن» (O₂) است؛ مولکولی دو اتمی با رفتار پارامغناطیس که در تنفس، سوختن و بی‌شمار فرایند صنعتی نقش اکسیدکننده دارد. در کنار آن، آلوتروپی به نام «اوزون » (O₃) هم داریم که سپر فرابنفشِ استراتوسفر را می‌سازد و در تروپوسفر یک آلاینده فتوشیمیایی محسوب می‌شود.
گاز اکسیژن چیست؟
گاز اکسیژن (O₂) شکل دواتمیِ عنصر اکسیژن است؛ گازی بی‌رنگ و بی‌بو که حدود ۲۰٫۹۵٪ هوای خشک را تشکیل می‌دهد و به‌واسطهٔ خاصیت اکسیدکنندگیِ قوی‌اش در قلب فرایندهای حیاتی و صنعتی قرار دارد.
در صنعت، اکسیژن به افزایش دمای شعله و بهبود احتراق کوره‌ها، جوش‌وبرش فلزات و واکنش‌های اکسیداسیون شیمیایی کمک می‌کند؛ در پزشکی، به‌صورت نسخه‌محور برای پشتیبانی از تنفس بیماران به‌کار می‌رود. بسته به کاربرد، در گریدهای اکسیژن صنعتی و اکسیژن طبی با الزامات خلوص و ردیابی متفاوت عرضه می‌شود و به‌شکل سیلندر تحت فشار، باندل یا اکسیژن مایع (LOX) در مخازن کرایوجنیک تأمین می‌گردد. هرچند خودِ اکسیژن «سوختنی» نیست، اما محیط‌های غنی از اکسیژن خطر تشدید آتش‌سوزی دارند؛ بنابراین کار با رگلاتور و اتصالات کاملاً پاک (بدون روغن/گریس)، تهویهٔ مناسب و برچسب‌گذاری استاندارد الزامی است.
1) تاریخچهٔ کشف و نام‌گذاری اکسیژن
کارل ویلهلم شیله (حدود ۱۷۷۱–۱۷۷۵) و جوزف پریستلی (۱۷۷۴) به‌صورت مستقل گاز جدیدی را از گرمایش اکسید جیوه و برخی نیترات‌ها جدا کردند؛ آنتوان لاوازیه مفهوم «اکسیداسیون» را تعریف و نام «اکسیژن» (سازندهٔ اسید) را پیشنهاد کرد و افسانهٔ فلوژیستون را کنار زد.
2) ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اکسیژن چیست؟
- فیزیکی: در شرایط استاندارد بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است. در °C 183– (≈ 182.95–) مایع می‌شود و رنگ آبی کم‌رنگ دارد؛ در °C 218– جامد می‌شود. چگالی گاز در STP حدود 1.429 g/L است.
- پیوند و مغناطیس: O₂ دارای دو الکترون جفت‌نشده است، بنابراین پارامغناطیس بوده و به میدان مغناطیسی جذب می‌شود (پایهٔ آنالیزورهای پارامغناطیسی اکسیژن)
- واکنش‌پذیری: خودش «نمی‌سوزد»، اما سرعت و دمای احتراق سوخت‌ها را به‌شدت افزایش می‌دهد و عامل اصلی زنگ‌زدگی، اکسیداسیون کاتالیستی و شعله‌های صنعتی اکسی‌سوخت است.
3) آلوتروپ‌ها و گونه‌ها
- دی‌اکسیژن (O₂): پایدارترین و فراوان‌ترین شکل.
- اوزون (O₃): اکسیدکنندهٔ قوی؛ در استراتوسفر سپر UV می‌سازد، در تروپوسفر آلاینده است.
- سینگلت اکسیژن (حالت‌های برانگیختهٔ O₂) بسیار واکنش‌پذیر است و در فوتوسنتز و فتوشیمی جو شکل می‌گیرد.
4) ایزوتوپ‌ها و ردگیرهای اقلیمی عنصر اکسیژن
سه ایزوتوپ پایدار ^16O، ^17O و ^18O داریم؛ نسبت ^18O/^16O ابزار کلیدی دیرینه‌اقلیم در صدف‌ها و یخ‌هسته‌هاست (δ^18O) .
5) اکسیژن در جو زمین
- سهم حجمی در هوای خشک: حدود ۲۰٫۹۵٪ اکسیژن، ۷۸٫۰۸٪ نیتروژن و ۰٫۹۳٪ آرگون است. این ارقام پایهٔ محاسبات مهندسی، پزشکی و محیط‌زیستی‌اند.
- تولید زیستی (فوتوسنتز)، مصرف زیستی (تنفس)، تبادل اقیانوس–جو و چرخهٔ سنگ‌کره‌ای، بودجهٔ اکسیژن را تنظیم می‌کنند.
6) اکسیژن در بدن و فیزیولوژی
- نقش حیاتی: پذیرندهٔ نهایی الکترون در زنجیرهٔ تنفسی میتوکندری.
- انتقال: فشار جزئی، اشباع هموگلوبین (SpO₂)، منحنی سیگموئیدی اکسی‌هموگلوبین و اثر بوهر/هالدِین تعیین‌کننده‌اند.
- اختلالات: هیپوکسی (کمبود) و هیپرکسی/سمیّت اکسیژن (افزایش طولانی‌مدت یا فشار بالا)؛ هر دو می‌توانند آسیب‌رسان باشند.
نکتهٔ ایمن‌نگار: در پزشکی نوین، اکسیژن باید هدفمند و نسخه‌محور تجویز شود (نه روتین برای همه). راهنماهای حرفه‌ای (مانند BTS 2017) بر تجویز با محدودهٔ هدف اشباع و پایش مستمر تأکید دارند.
7) سمیت اکسیژن و مرزهای ایمن (نگاه بالینی فشرده)
- قرارگیری طولانی‌مدت در غلظت/فشار بالای O₂ می‌تواند التهاب ریوی و عوارض عصبی ایجاد کند (به‌ویژه در فشارهای بالاتر از جو).
- در عمل، تیم درمان باید بر اساس نسخه، SpO₂ هدف و ABG دوز را تنظیم کند؛ استفادهٔ بی‌هدف از اکسیژن در اورژانس دیگر توصیهٔ استاندارد نیست.
8) تولید صنعتی اکسیژن؛ از ASU تا PSA/VSA
- تقطیر جزءبه‌جزء هوای مایع (ASU): روش غالب برای تولید با خلوص بالا (تا ۹۹٫۵٪+).
- جذب نوسانی فشار (PSA / VPSA / VSA): هوای خشک از بستر زئولیت عبور می‌کند؛ نیتروژن جذب می‌شود و جریان خروجی ۹۰–۹۳٪ O₂ به‌طور پیوسته تولید می‌گردد؛ گزینهٔ محبوب برای بیمارستان‌ها/کارخانه‌های متوسط.
- الکترولیز آب (همراه هیدروژن سبز): در پروژه‌های انرژی پاک و پیل سوختی اهمیت روزافزون دارد.
9) گریدها و استانداردها (تصویر کلی)
- صنعتی: فولاد، شیشه، کوره‌های اکسی‌سوخت، جوش/برش.
- پزشکی: الزامات خلوص/ردیابی خاص، کنترل ناخالصی‌ها و رطوبت.
- آزمایشگاهی/غذایی: مشخصات ویژه برحسب کاربرد.
هشدار رنگ سیلندر: رنگ‌آمیزی سیلندرها کشوربه‌کشور متفاوت است؛ اتکا به برچسب و آنالیز، اصل ایمنی است (استانداردهای EN 1089-3، اسناد AIGA/EIGA).
10) شکل‌های عرضه و زنجیرهٔ تأمین
- کپسول تک‌سیلندر (رایج‌ترین در کارگاه‌ها)، باندل/پالت برای دبی‌های بالاتر، مخزن مایع (LOX) + تبخیرکننده برای مصرف‌های بزرگ، و شبکهٔ پایپینگ درون‌سازمانی.
- انتخاب بین سیلندر/باندل/LOX تابع نرخ مصرف ساعتی–روزانه، محدودیت فضا، ایمنی و هزینهٔ لجستیک است.
11) ایمنی کار با اکسیژن (نکات حیاتی)
- اکسیژن نمی‌سوزد؛ اما آتش را شعله‌ورتر و داغ‌تر می‌کند.
- روغن و گریس ممنوع! تماس روغن، وازلین، کرم دست/صورت، اسپری‌های چرب و… با تجهیزات اکسیژن می‌تواند منجر به آتش‌سوزی انفجاری شود؛ دست‌ها و اتصالات باید پاک و خشک باشند.
- از آلودگی چربی در رگلاتور/شیرها پیشگیری کنید؛ آموزش کاربر و بازرسی دوره‌ای تجهیزات الزامی است.
- تهویهٔ مناسب در محل نگهداری سیلندر/LOX، مهار مکانیکی سیلندرها، دوری از منابع حرارت/جرقه و برچسب‌گذاری صحیح (GHS) را رعایت کنید.
12) کاربردهای صنعتی شاخص
- فولادسازی (BOF): بزرگ‌ترین سهم مصرف O₂؛ دمش اکسیژن به مذاب آهن، گوگرد/کربن را به اکسید تبدیل و دمای فرآیند را بالا می‌برد.
- صنایع شیشه و کوره‌های اکسی‌سوخت، اکسیداسیون شیمیایی (اتیلن → اکسید اتیلن → اتیلن گلیکول).
- جوش و برش فلزات (Oxy-fuel).
13) محیط زیست و آب
- اکسیژن محلول (DO) برای آبزیان حیاتی است؛ به دما/شوری/فشار وابسته است و با افزایش دما کاهش می‌یابد (در آب شیرین حدود ۹ mg/L در ۵°C و ≈ ۸–۹ mg/L در ۲۵°C در فشار ۱ اتمسفر)
- در هوادهی فاضلاب (کاهش BOD/COD) و آبزی‌پروری، طراحی دبی هوا/اکسیژن بر مبنای DO و قانون هنری انجام می‌شود.
14) پزشکی و سلامت (نگاه کاربردی)
- اکسیژن‌تراپی خانگی/بیمارستانی: از کپسول، کنسانتراتور PSA یا سیستم مرکزی تغذیه می‌شود؛ انتخاب وسیله تابع نسخه پزشک، دبی موردنیاز و تحرک بیمار است.
- اتاق پرفشار (HBOT): برای مواردی مثل مسمومیت CO، گانگرن گازی و دکامپرشن توسط تیم‌های تخصصی استفاده می‌شود.
- اصل طلایی: «پایش + نسخه هدفمند» (نه اکسیژن برای همه).
15) هوافضا و انرژی
- LOX به‌عنوان اکسیدکننده اصلی در موتورهای سوخت مایعِ با سوخت هیدروژن/کِروسین/مِتان به‌کار می‌رود (Methalox و Hydrolox )
- در الکترولیز و پیل سوختی، اکسیژن/هیدروژنِ سبز نقش زیرساختی در گذار انرژی دارد.
16) سنجش و آنالیز اکسیژن
- پارامغناطیسی (فرآیند)، زیرکونیا (دما بالا؛ دودکش/کوره)، اپتیکی/لومینسنس (DO در آب)، و روش وینکلر (مرجع آزمایشگاهی).
- کالیبراسیون منظمِ سنسورها با هوا و گازهای مرجع، شرط دقت و ایمنی است.
17) محاسبات مهندسی سریـع (برای کارگاه/درمان)
- فشار جزئی: pO2=yO2×ptotalp_{O_2} = y_{O_2} \times p_{total}pO2=yO2×ptotal → در هوا ≈ 0.2095×p.
- قانون هنری (کیفی): غلظت گازِ حل‌شده ∝ فشار جزئیِ آن بالای مایع (در دمای ثابت). افزایش دما → کاهش حلالیت.
- نکته پزشکی: نسخهٔ اکسیژن طبی بر اساس SpO₂/ABG و وضعیت بیمار تنظیم می‌شود؛ «دوز بیشتر همیشه بهتر نیست» .
19) چک‌لیست ایمنی قابل استفاده در سوله
• سیلندر را عمودی و مهار‌شده نگه دارید؛ از ضربه/افتادن پیشگیری کنید.
• دور از گرما/جرقه، در محل دارای تهویه نگهداری کنید.
• قبل از اتصال رگلاتور، پُرشیر (blow-off) را کوتاه انجام دهید؛ وجود گردوغبار/رطوبت را بررسی کنید.
• هرگز دست/دستکش/ابزار چرب را به تجهیزات اکسیژن نزنید.
• آموزش دوره‌ای کاربران و ثبت بازرسی‌ها طبق دستورالعمل‌های CGA/EIGA.
جمع بندی و راهنمای خرید گاز اکسیژن
اگر مصرف شما پیوسته و حجیم است (کوره، فرآیندهای اکسیداتیو، برش صنعتی)، معمولاً خرید گاز اکسیژن مخزن LOX + تبخیرکننده اقتصادی‌تر است. برای مصرف‌های متوسط/پراکنده، باندل سیلندر یا PSA در محل (۹۰–۹۳٪) گزینه خوبی است؛ در مصارف پزشکی، انطباق با استاندارد و زنجیره کیفیت شرط اول است.
منابع
• ترکیب جو و سهم 20.95٪: NASA و ویکی‌پدیا «جو زمین». NASA Science / Wikipedia
• خواص فیزیکی (رنگ LOX، دمای جوش/انجماد): بریتانیکا. Encyclopedia Britannica
• پارامغناطیس O₂، کاربردها و تولید صنعتی: ویکی‌پدیا «اکسیژن». Wikipedia
• اکسیژن‌تراپی هدفمند (BTS 2017): وب‌سایت BTS + مقالهٔ مروری. British Thoracic / SocietyPubMed Central
• ایمنی روغن/گریس و آموزش کاربر: CGA. CGA Network+1
• LOX در موتورهای مایع: NASA / منبع آموزشی و گزارش‌های فنی. NASA Technical Reports Server
ارسال نظر