Trong tự nhiên và công nghiệp hiện đại, ít có nguyên tố nào giữ vai trò thiết yếu như khí oxy (O₂). Không chỉ là thành phần chính trong không khí giúp duy trì sự sống của con người và sinh vật, oxy còn là một chất hóa học có tính phản ứng cao, tham gia vào vô số quá trình sinh học, hóa học và công nghiệp then chốt. Cùng công ty khí công nghiệp Dakhien tìm hiểu về khí oxy trong bài viết sau đây!
>>>> XEM NGAY: Sản xuất khí công nghiệp uy tín tại TPHCM
1. Khí Oxy là gì? Tính vật lý của khí Oxy
Oxy là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm VIA trong bảng tuần hoàn, có ký hiệu là O và số nguyên tử là 8. Nguyên tử khối trung bình của oxy là 15,9994. Trong khí quyển, oxy tồn tại dưới dạng khí O₂ và chiếm khoảng 20,9% thể tích không khí. Trong vũ trụ, oxy là nguyên tố phổ biến thứ ba sau hydro và heli. Ngoài ra, nó chiếm tới 89% khối lượng phân tử nước.
Oxy được phát hiện độc lập bởi Carl Wilhelm Scheele (1772) và Joseph Priestley (1774), nhưng tên gọi “oxygen” do nhà hóa học người Pháp Antoine Lavoisier đặt ra, mang ý nghĩa “tạo axit”.
Oxy là một nguyên tố có khả năng tồn tại ở cả ba trạng thái vật chất: khí, lỏng và rắn. Ở điều kiện thường, oxy tồn tại chủ yếu ở dạng khí, không màu, không mùi và không vị. Khi được làm lạnh đến nhiệt độ thấp, oxy chuyển sang trạng thái lỏng hoặc rắn và lúc này có màu xanh nhạt đặc trưng.
- Khối lượng riêng: 1,429 g/L ở điều kiện tiêu chuẩn.
- Nhiệt độ hóa lỏng: -182,96°C.
- Nhiệt độ hóa rắn: -218,4°C.
- Độ tan trong nước lạnh: khoảng 30 cm³/lít ở 20°C.
Xét về tính chất hóa học, oxy là một chất oxy hóa mạnh, có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố khác trừ các khí trơ như helium (He), neon (Ne), argon (Ar) và krypton (Kr). Một số phản ứng điển hình:
Phản ứng với phi kim:
Carbon: C + O₂ → CO₂
Lưu huỳnh: S + O₂ → SO₂
Phản ứng với kim loại:
Sắt: Tạo thành nhiều loại oxit tùy điều kiện: Fe + O₂ → FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ – là nguyên nhân hình thành gỉ sắt.
Tham gia phản ứng cháy:
Oxy duy trì sự cháy và kết hợp với nhiều hợp chất hữu cơ:
Methane: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
Ethanol: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O
So với các khí trong khí quyển như nitơ (N₂), cacbonic (CO₂) hay argon (Ar), oxy nổi bật ở tính phản ứng cao, khả năng duy trì sự cháy và vai trò thiết yếu trong quá trình hô hấp của sinh vật. Khí nitơ tuy chiếm tới 78% khí quyển nhưng tương đối trơ về mặt hóa học. Trong khi đó, khí CO₂ tuy quan trọng trong quang hợp và hiệu ứng nhà kính nhưng lại không có vai trò trực tiếp trong hô hấp như O₂.
2. Ứng dụng của khí oxy trong đời sống và công nghiệp
Khí oxy là một trong những nguyên tố thiết yếu, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các ứng dụng của khí oxy trong đời sống và công nghiệp phải kể đến như:
2.1 Ứng dụng trong y tế
Oxy y tế và oxy công nghiệp có sự khác nhau nhất định, oxy y tế đóng vai trò thiết yếu trong quá trình hô hấp hiếu khí, cho phép tế bào chuyển hóa chất dinh dưỡng thành năng lượng dưới dạng ATP. Trong lĩnh vực y tế, oxy y khoa được sử dụng để hỗ trợ hô hấp cho bệnh nhân mắc các bệnh lý đường hô hấp như khí phế thũng, COPD. Ngoài ra, trong môi trường áp suất khí quyển thấp như vùng núi cao, bình dưỡng khí được triển khai nhằm bù đắp lượng oxy giảm sút trong không khí.
Trong phẫu thuật tim hở hoặc các thủ thuật gây mê toàn thân, bệnh nhân được cung cấp oxy thông qua hệ thống tuần hoàn ngoài cơ thể để duy trì các chức năng sống. Oxy trong trường hợp này giữ vai trò như một tác nhân duy trì sự sống. Đồng thời, trong lĩnh vực kiểm soát nhiễm khuẩn, oxy ở nồng độ cao có thể ức chế và tiêu diệt vi khuẩn kỵ khí thông qua quá trình oxy hóa màng tế bào vi sinh vật.
2.2 Ứng dụng trong luyện kim và gia công nhiệt
Trong công nghiệp luyện kim, oxy được đưa vào lò cao nhằm chuyển hóa cacbon thành carbon monoxit, từ đó khử oxit sắt để thu được sắt tinh khiết. Các kỹ thuật như hàn nhiệt hoặc cắt kim loại yêu cầu nhiệt độ cao cũng sử dụng oxy làm chất hỗ trợ đốt cháy, đảm bảo tốc độ và hiệu quả xử lý vật liệu. Việc ứng dụng oxy giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.
2.3 Ứng dụng trong xử lý nước và cung cấp năng lượng
Oxy được sục khí vào nước trong hệ thống xử lý nước thải để kích thích hoạt động của vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ, góp phần làm sạch nguồn nước. Trong lĩnh vực năng lượng, nhiều thiết bị vận hành độc lập với lưới điện, như máy phát điện hoặc phương tiện giao thông, sử dụng oxy trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để tạo ra năng lượng cơ học hoặc điện năng, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt.
2.4 Oxy trong tổng hợp hóa chất và chế tạo vật liệu
Oxy tham gia vào các phản ứng hóa học quan trọng như sản xuất ethylene oxide – tiền chất của ethylene glycol và polyester – cũng như chloroethene để chế tạo polyvinyl chloride (PVC). Trong công nghiệp cơ khí, hỗn hợp oxy và axetylen được sử dụng trong kỹ thuật hàn cắt do tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ rất cao. Vai trò của oxy trong các chuỗi phản ứng này giúp duy trì hiệu quả và độ an toàn trong sản xuất công nghiệp hiện đại.
2.5 Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm và thủy sản
Oxy được sử dụng trong công nghệ nuôi trồng thủy sản để duy trì nồng độ hòa tan trong nước, đảm bảo môi trường sống tối ưu cho sinh vật thủy sinh. Trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm, khí oxy kết hợp với các loại khí khác để tạo môi trường kiểm soát nhằm ức chế sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí, kéo dài thời gian sử dụng và giữ nguyên chất lượng cảm quan cũng như giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.
2.6 Ứng dụng trong hàng không vũ trụ và công nghiệp hóa học
Dưới dạng lỏng, oxy được dùng làm chất oxy hóa trong tên lửa đẩy, phản ứng với hydro lỏng để giải phóng năng lượng lớn phục vụ việc phóng tàu vũ trụ. Bộ đồ không gian được trang bị oxy tinh khiết để đáp ứng nhu cầu hô hấp trong môi trường không khí loãng. Trong công nghiệp hóa phân nhiệt, oxy thúc đẩy quá trình phân hủy các hợp chất hydrocacbon ở nhiệt độ cao, tạo ra các sản phẩm trung gian như ethylene và acetylene, phục vụ sản xuất hóa chất.
3. Lưu ý an toàn khi sử dụng khí oxy
Việc sử dụng khí oxy, đặc biệt là oxy tinh khiết trong công nghiệp và y tế, tiềm ẩn nhiều nguy cơ nếu không tuân thủ các biện pháp an toàn. Do tính chất hỗ trợ cháy mạnh của oxy, người dùng cần nhận thức rõ các rủi ro và thực hiện nghiêm ngặt các khuyến cáo kỹ thuật liên quan đến lưu trữ, vận chuyển và sử dụng khí này.
3.1 Tránh xa nguồn nhiệt và chất dễ cháy
Oxy không phải là chất dễ cháy, nhưng có khả năng làm tăng tốc độ cháy của các vật liệu dễ bắt lửa. Do đó, tuyệt đối không đặt bình oxy gần bếp gas, bếp cồn, nến, tia lửa điện hoặc các thiết bị sinh nhiệt. Bất kỳ sự rò rỉ nào trong khu vực có lửa đều có thể dẫn đến cháy nổ nghiêm trọng. Việc hút thuốc lá hoặc sử dụng thiết bị điện gần khu vực có oxy cũng cần được cấm triệt để.
3.2 Đảm bảo vị trí và trạng thái bình chứa ổn định
Khi sử dụng, bình oxy cần được đặt theo phương thẳng đứng và cố định trong giá hoặc thùng chuyên dụng. Tránh đặt nghiêng hoặc để tựa vào tường, vì va chạm hoặc ngã đổ có thể gây hư hỏng van, dẫn đến rò rỉ khí. Sau mỗi lần sử dụng, phải đảm bảo khóa van an toàn và kiểm tra không còn áp suất dư để giảm thiểu nguy cơ cháy nổ do oxy tồn đọng.
3.3 Nguy cơ cháy nổ khi kết hợp với nhiên liệu
Oxy có thể tạo ra hỗn hợp dễ phát nổ nếu tiếp xúc với các khí cháy như hidro, metan, axetilen hoặc dầu mỡ. Do đó, tuyệt đối không bôi trơn van bình hoặc các thiết bị kết nối bằng dầu mỡ hoặc hợp chất hữu cơ. Dụng cụ chuyên dùng để thao tác với oxy phải sạch và không nhiễm chất gây cháy để tránh phản ứng oxy hóa mạnh gây cháy tức thời.
3.4 Biện pháp an toàn khi vận chuyển và lưu trữ
Trong quá trình vận chuyển, bình oxy phải được cố định chắc chắn để tránh va đập. Phải sử dụng xe đẩy chuyên dụng và không được kéo lê bình trên mặt đất. Khi lưu trữ, cần đặt bình ở nơi thoáng khí, tránh ánh nắng trực tiếp, không gian khô ráo và cách xa các chất dễ cháy, dung môi hoặc hóa chất ăn mòn. Không lưu trữ bình oxy gần khí dễ cháy khác để tránh tạo hỗn hợp nguy hiểm.
3.5 Tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế về an toàn khí công nghiệp và y tế
Việc sử dụng khí oxy cần tuân theo các tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật quốc tế như ISO 7396 (hệ thống khí y tế), ISO 10297 (van bình khí), và các quy định của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và các cơ quan chức năng về an toàn khí công nghiệp. Người thao tác cần được đào tạo chuyên môn và thường xuyên kiểm tra trang thiết bị để đảm bảo vận hành đúng cách và giảm thiểu rủi ro tai nạn.
Như những gì Dakhien đã chia sẻ, có thể thấy, khí oxy là "chất xúc tác" cho sự tiến bộ của nhân loại. Tuy nhiên, đi cùng với những lợi ích là các rủi ro tiềm ẩn nếu không được sử dụng đúng cách. Vì vậy, việc hiểu rõ đặc tính, ứng dụng và tuân thủ nghiêm ngặt các quy định an toàn là yếu tố then chốt để khai thác tối đa giá trị của khí oxy một cách bền vững!
