Знаете ли вы, что воздух - смесь газов? Газовый состав воздуха. Что такое воздух: естествознание для взрослых

Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов, называемой воздухом, в которой находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частички. Общая масса последних незначительна в сравне­нии со всей массой атмосферы.

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, основными из которых являются азот N2, кислород О2, аргон Аr, углекислый газ СО2 и водяной пар. Воздух без водяного пара называют сухим воздухом. У зем­ной поверхности сухой воздух на 99% состоит из азота (78% по объему или 76% по массе) и кислорода (21% по объему или 23% по массе). Оставшийся 1% приходится почти целиком на аргон. Всего 0,08% остается на углекислый газ СО2. Многочисленные другие газы входят в состав воздуха в тысячных, миллион­ных и еще меньших долях процента. Это криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, перекись водорода, закись азота и др. Состав сухого атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли приведен в табл. 1.

Таблица 1

Состав сухого атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли

Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности очень постоянен и практически одинаков повсюду. Существенно меняться может только содержание углекислого газа. В результате процессов дыхания и горения его объемное содержание в воздухе закрытых, плохо вентилируемых помещений, а также промышленных центров может возрастать в несколько раз - до 0,1-0,2%. Совершенно незначительно меняется процентное содержание азота и кислорода.

В состав реальной атмосферы входят три важных переменных компонента – водяной пар, озон и углекислый газ. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах, в отличие от других составных частей воздуха: у земной поверхности оно колеблется между сотыми долями процента и несколькими процентами (от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4%). Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, с влажной почвы и путем транспирации растений, при этом в разных местах и в разное время он поступает в различных количествах. От земной поверхности он распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие.

В атмосфере может возникать состояние насыщения. В таком состоянии водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре. Водяной пар при этом называют насыщающим (или насыщенным), а воздух, содержащий его, насыщенным.

Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха. Когда это состояние достигнуто, то при дальнейшем понижении температуры часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капельки и ледяные кристаллики облаков и туманов. Облака могут снова испаряться; в других случаях капельки и кристаллики облаков, укрупняясь, могут выпадать на земную поверхность в виде осадков. Вследствие всего этого содержание водяного пара в каждом участке атмосферы непрерывно меняется.

С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в атмосфере существенно сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности. Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым также нижних слоев воздуха.

На испарение воды с земной поверхности затрачиваются большие количества тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к земной поверхности. Осадки, выпадающие из облаков, являются важнейшим элементом погоды и климата. Наконец, наличие водяного пара в атмосфере имеет важное значение для физиологических процессов.

Водяной пар, как всякий газ, обладает упругостью (давлением). Упругость водяного пара е пропорциональна его плотности (содержанию в единице объема) и его абсолютной температуре. Она выражается в тех же единицах, что и давление воздуха, т.е. либо в миллиметрах ртутного столба, либо в миллибарах.

Упругость водяного пара в состоянии насыщения называют упругостью насыщения. Это максимальная упругость водяного пара, возможная при данной температуре. Например, при температуре 0° упругость насыщения равна 6,1 мб. На каждые 10° температуры упругость насыщения увеличивается примерно вдвое.

Если воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для насыщения его при данной температуре, можно определить, насколько воздух близок к состоянию насыщения. Для этого вычисляют относительную влажность. Так называют отношение фактической упругости е водяного пара, находящегося в воздухе, к упругости насыщения Е при той же температуре, выраженное в процентах, т.е.

Например, при температуре 20° упругость насыщения равна 23,4 мб.Если при этом фактическая упругость пара в воздухе будет 11,7 мб,то относительная влажность воздуха равна

Упругость водяного пара у земной поверхности меняется от сотых долей миллибара (при очень низких температурах зимой в Антарктиде и в Якутии) до 35 мби более (у экватора). Чем теплее воздух, тем больше водяного пара может он содержать без насыщения и, стало быть, тем больше может бытьв нем упругость водяного пара.

Относительная влажность воздуха может принимать все значения – от нуля для вполне сухого воздуха (е = 0) до 100% для состояния насыщения (е = Е).

Химический состав воздуха имеет важное гигиеническое значение, так как он играет решающую роль в осуществлении дыхательной функции организма. Атмосферный воздух представляет собой смесь кислорода, углекислого газа, аргона и других газов в соотношениях, приведенных в табл. 1.

Кислород (О 2) - наиболее важная для человека составная часть воздуха. В состоянии покоя человек обычно поглощает в среднем 0,3 л кислорода в 1 мин.

При физической деятельности потребление кислорода резко возрастает и может достигнуть 4,5/5 л и более в 1 мин. Колебания содержания кислорода в атмосферном воздухе невелики и не превышают, как правило, 0,5 %.

В жилых, общественных и спортивных помещениях значительных изменений в содержании кислорода не наблюдается, так как в них проникает наружный воздух. При самых неблагоприятных гигиенических условиях в помещении отмечалось уменьшение содержания кислорода на 1 %. Такие колебания не оказывают заметного влияния на организм.

Обычно физиологические сдвиги наблюдаются при снижении содержания кислорода до 16-17 %. Если его содержание уменьшается до 11 -13% (при подъеме на высоту), появляются ярко выраженная кислородная недостаточность, резкое ухудшение самочувствия и снижение работоспособности. Содержание кислорода до 7-8 % может привести к смертельному исходу.

В спортивной практике в целях повышения работоспособности и интенсивности восстановительных процессов используется вдыхание кислорода.

Углекислый газ (СО 2), или двуокись углерода,- бесцветный газ без запаха, образующийся при дыхании людей и животных, гниении и разложении органических веществ, сгорании топлива и др. В атмосферном воздухе вне населенных пунктов содержание углекислого газа составляет в среднем 0,04 %, а в промышленных центрах его концентрация повышается до 0,05-0,06 %. В жилых иобщественных зданиях при нахождении в них большого количества людей содержание углекислого газа может увеличиваться до 0,6-0,8 %. При наихудших гигиенических условиях в помещении (большое скопление людей, плохая вентиляция и др.) его концентрация обычно не превышает 1 % из-за проникновения наружного воздуха. Такие концентрации не вызывают отрицательных явлений в организме.

При продолжительном вдыхании воздуха с содержанием 1 - 1,5% углекислого газа отмечается ухудшение самочувствия, а при 2-2,5 % обнаруживаются патологические сдвиги. Значительные нарушения функций организма и снижение работоспособности происходят, когда содержание углекислого газа составляет 4-5 %. При содержании 8-10 % происходит потеря сознания и смерть. Значительное повышение содержания углекислого газа в воздухе может возникнуть при аварийных ситуациях в замкнутых пространствах (шахтах, рудниках, подводных лодках, бомбоубежищах идр.) или в тех местах, где происходит интенсивное разложение органических веществ.

Определение содержания углекислого газа в жилых, общественных и спортивных сооружениях может служить косвенным показателем загрязнения воздуха продуктами жизнедеятельности людей. Как уже отмечалось, сам по себе углекислый газ в этих случаях не причиняет вреда организму, однако вместе с увеличением его содержания наблюдается ухудшение физических и химических свойств воздуха (повышается температура и влажность, нарушается, ионный состав, появляются дурно пахнущие газы). Воздух в помещениях считается недоброкачественным, если содержание углекислого газа в нем превышает 0,1 %. Эта величина принимается как расчетная при проектировании и устройстве вентиляции в помещениях.

Воздух необходим всем живым организмам: животным для дыхания, а растениям - для питания. К тому же воздух защищает Землю от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Основные составляющие воздуха - азот и кислород. В воздухе есть также небольшие примеси благородных газов, углекислого газа и некоторое количество твердых частиц - копоти, пыли. Воздух нужен всем животным для дыхания. Около 21% воздуха составляет кислород. Молекула кислорода (О 2) состоит из двух связанных кислорода.

Состав воздуха

Процентное соотношение различных га­зов в воздухе слегка изменяется в зависимости от места, времени года и суток. Азот и кислород - основные компоненты воздуха. Один процент воздуха составляют благородные газы, углекислой газ, водяной пар и загрязнения, например диоксид азота. Входящие в состав воздуха газы можно разделить путем фракционной перегонки . Воздух охлаждается до тех пор, пока газы не перейдут в жидкое состояние (см. статью « «). Пос­ле этого жидкая смесь нагревается. кипения у каждой жидкости своя, и образующиеся при кипении газы можно собирать от­дельно. Кислород, азот и углекислый газ постоянно по­падают из воздуха в и возвращают­ся в воздух, т.е. происходит круговорот. Животные вдыхают кислород воздуха и выдыхают углекислый газ.

Кислород

Азот

Более 78% воздуха составляет азот. Бел­ки, из которых построены живые организ­мы, также содержат азот. Главное промышленное применение азота - производство аммиака , необходимого для удобрений. Азот для этого соединяют с . Азот накачивается в упаковки для мяса или рыбы, т.к. при контакте с обычным воздухом продукты окисляются и портятся Предназначенные для пересадки человеческие органы хранятся в жидком азоте, потому что он холодный и химически инертный. Молекула азота (N 2) состоит из двух связанных атомов азота.

Благородные газы

Благородные газы - это 6 8-й группы . Они чрезвычайно инертны химически. Только они существуют в виде от­дельных атомов, не образующих молекулы. Из-за их пассивности некоторыми из них наполняют лампы. Ксенон практически не используется человеком, зато аргон накачивают в электролампочки, а крип­тоном наполняют люминесцентные лампы. Неон вспыхивает красно-оранжевым светом при прохождении электрического разряда. Он используется в натриевых уличных лампах и неоновых лампах. Радон радиоактивен. Он образуется в результате распада металла радия. Никакие соединения гелия науке неизвестны, и гелий считается абсолютно инертным. Его плотность в 7 раз меньше плотности воздуха, поэтому им наполняют дирижабли. Наполненные гелием воздушные шары оснащаются научной аппаратурой и запускаются в верхние слои атмосферы.

Парниковый эффект

Так называется наблюдающееся сейчас повышение содержания углекислого газа в атмосфере и вызванное этим глобальное потепление , т.е. повышение среднегодовых температур во всем мире. Углекислый газ не дает теплу покидать Землю, так же как стекло сохраняет высокую температуру внутри парника. Поскольку углекислого газа в воздухе становится все больше, все больше тепла задерживается в атмосфере. Даже небольшое потепление вызывает повышение уровня Мирового океана, перемену ветров и таяние части льда у полюсов. Ученые считают, что если содержание углекислого газа будет расти так же быстро, то за 50 лет средняя темпера­тура может возрасти на величину от 1,5°С до 4°С.

Воздух – смесь газов, необходимых для существования и поддержания жизни на планете. Каковы его особенности, и какие вещества входят в состав воздуха?

Воздух необходим для дыхания всем живым организмам. Он состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и ряда примесей. Состав атмосферного воздуха может меняться в зависимости от условий и местности. Так в городской среде уровень углекислого газа в воздухе по сравнению с лесной полосой повышается из-за обилия транспортных средств. В высокогорье концентрация кислорода снижается, так как молекулы азота легче, чем молекулы кислорода. Поэтому концентрация кислорода уменьшается быстрее.

Шотландский физик и химик Джозеф Блэк в 1754 году опытным путем доказал, что воздух – это не просто вещество, а именно газовая смесь

Рис. 1. Джозеф Блэк.

Если говорить о составе воздуха в процентах, то основным его компонентом является азот. Азот занимает 78% от всего объема воздуха. Процентное соотношение кислорода в молекуле воздухе составляет 20,9%. Азот и кислород – 2 основные элемента воздуха. Содержание остальных веществ значительно меньше и не превышает 1%. Так, аргон занимает объем 0,9%, а углекислый газ – 0,03%. Также воздух имеет такие примеси, как неон, криптон, метан, гелий, водород и ксенон.

Рис. 2. Состав воздуха.

В производственных помещениях большое значение предают аэроионному составу воздуха. Имеющиеся в воздухе отрицательно заряженные ионы благоприятно влияют на организм человека, заряжают его энергией, повышают настроение.

Азот

Азот – главная составляющая воздуха. Перевод названия элемента – «безжизненный» – может относится к азоту как простому веществу, но азот в связанном состоянии является одним из главных элементов жизни, входит в состав белков, нуклеиновых кислот, витаминов и т. д.

Азот – элемент второго периода, не имеет возбужденных состояний, так как атом не имеет свободных орбиталей. Однако азот способен проявлять в основном состоянии валентность не только III, но и IV за счет образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму с участием неподеленной электронной пары азота. Степень окисления, которую может проявлять азот, изменяется в широких пределах: от -3 до +5.

В природе азот встречается в виде простого вещества – газа N2 и в связанном состоянии. В молекуле азота атомы связаны прочной тройной связью (энергия связи 940 кДж/моль). При обычной температуре азот может взаимодействовать только с литием. После предварительной активизации молекул путем нагревания, облучения или действием катализаторов азот вступает в реакции с металлами и неметаллами.

Кислород

Кислород – самый распространенный элемент на Земле: массовая доля в земной коре 47,3%, а объемная доля в атмосфере – 20,95%, массовая доля в живых организмах – около 65%.

Практически во всех соединениях (кроме соединений с фтором и пероксидов) кислород проявляет постоянную валентность II и степень окисления – 2. Атом кислорода не имеет возбужденных состояний, так как на втором внешнем уровне нет свободных орбиталей. В качестве простого вещества кислород существует в виде двух аллотропных видоизменений – газов кислорода О2 и озона О3. Самое важное соединение кислорода – это вода. Около 71% земной поверхности занимает водная оболочка, без воды невозможна жизнь.

Озон в природе образуется из кислорода воздуха во время грозовых разрядов, а в лаборатории – пропусканием электрического разряда через кислород.

Рис. 3. Озон.

Озон – еще более сильный окислитель, чем кислород. В частности? он окисляет золото и платину

Кислород в промышленности обычно получают сжижением воздуха с последующим отделением азота за счет его испарения (имеется разница в температурах кипения: – -183 градуса для жидкого кислорода и -196 градусов для жидкого азота.). Всего получено оценок: 249.

Воздух жаркого, солнечного юга и сурового, холодного севера содержит одинаковое количество кислорода.

Один литр воздуха всегда содержит 210 кубических сантиметров кислорода, что составляет 21 объемный процент.

Больше всего в воздухе азота - его содержится в литре 780 кубических сантиметров, или 78 процентов по объему. В воздухе имеется также небольшое количество инертных газов. Газы эти получили название инертных потому, что они почти не вступают в соединение с другими элементами.

Из инертных газов в воздухе больше всего аргона - его в литре около 9 кубических сантиметров. В значительно меньших количествах в воздухе находится неона: в литре воздуха его насчитывается 0,02 кубического сантиметра. Еще меньше гелия - его всего 0,005 кубического сантиметра. Криптона в 5 раз меньше, чем гелия, - 0,001 кубического сантиметра, а ксенона совсем мало - 0,00008 кубического сантиметра.

В состав воздуха входят и газообразные химические соединения, например - двуокись углерода, или углекислый газ (СО 2). Количество углекислого газа в воздухе колеблется от 0,3 до 0,4 кубического сантиметра в литре. Непостоянно также содержание в воздухе паров воды. В сухую и жаркую погоду их меньше, а в дождливую - больше.

Состав воздуха можно выразить и в весовых процентах. Зная вес 1 литра воздуха и удельный вес каждого газа, входящего в его состав, легко от объемных величин перейти к весовым. Азота в воздухе содержится около 75,5, кислорода - 23,1, аргона- 1,3 и углекислого газа (двуокиси углерода) -0,04 весового процента.

Разница между весовыми и объемными процентами объясняется различными удельными весами азота, кислорода, аргона и углекислого газа.

Кислород, например, легко окисляет медь при высокой температуре. Поэтому, если пропустить воздух через трубку, наполненную раскаленными медными стружками, то при выходе из трубки он не будет содержать кислород. Удалить кислород из воздуха можно также фосфором. При горении фосфор жадно соединяется с кислородом, образуя фосфорный ангидрид (Р 2 О 5).

Состав воздуха был определен в 1775 году Лавуазье.

Нагревая небольшое количество металлической ртути в стеклянной реторте, Лавуазье подвел узкий конец реторты под стеклянный колпак, который был опрокинут в сосуд, наполненный ртутью. Двенадцать суток длился этот опыт. Ртуть в реторте, нагретая почти до кипения, все больше и больше покрывалась красной окисью. Одновременно уровень ртути в опрокинутом колпаке стал заметно подниматься над уровнем ртути сосуда, в котором находился колпак. Ртуть в реторте, окисляясь, забирала из воздуха все больше кислорода, давление в реторте и колпаке упало, и вместо израсходованного кислорода в колпак всасывалась ртуть.

Когда весь кислород был израсходован и окисление ртути прекратилось, приостановилось и всасывание ртути в колпак. Объем ртути в колпаке был измерен. Оказалось, что он составлял V 5 часть общего объема колпака и реторты.

Газ, оставшийся в колпаке и реторте, не поддерживал горения и жизни. Эта часть воздуха, занимавшая почти 4/6 объема, была названа азотом .

Более точными опытами в конце XVIII столетия было установлено, что воздух содержит по объему 21 процент кислорода и 79 процентов азота.

И только в конце XIX столетия стало известно, что в состав воздуха входят аргон, гелий и другие инертные газы.