Химическая формула воздуха которым мы дышим. Что такое воздух: естествознание для взрослых

Воздух – это смесь газов, которая окружает Землю и формирует ее атмосферу. Воздух невидим и безвкусен и обычно не имеет запаха. Воздух имеет вес, он может быть расширен или сжат, а при экстремально низких температурах может быть превращен в жидкость или даже твердое вещество. Воздух в движении мы называем ветром. Он обладает силой, достаточной, чтобы вращать лопасти мельниц и перемещать корабли по морю.

Состав воздуха достаточно сложен, хотя основными его составляющими являются азот – около 78 % и кислород – около 21 %. Воздух также содержит аргон, углекислый газ, водяной пар, неон, гелий, метан, криптон и озон.

Кислород в воздухе имеет жизненно важное значение для всех земных животных и растений. По средствам дыхания, животные и растения получают кислород и используют его для получения энергии из пищи и выделяют диоксид углерода. Углекислый газ используется растениями для фотосинтеза, в процессе которого растения получают энергию и выделяют кислород.

Углекислый газ составляет лишь 0,03% объема воздуха. Он образуется не только в процессе сжигания, но и сгорания, а также разложения органических веществ.

Воздух также содержит воду в газообразном состоянии. Процентное отношение воды в воздухе называют влажностью. Влажность может отличаться в зависимости от высоты над уровнем Земли и температуры.

В Воздухе также обычно содержится множество мелких твердых частиц, таких как вулканическая пыль, пыльца, споры плесени и водорослей, бактерий, копоти и пыли. Частицы пыли, к примеру, можно увидеть в освещенной солнечными лучами комнате. Рассеяние солнечного света приводит к окраске Солнца во время восхода и заката.

Воздух обладает плотностью и давлением. На уровне моря плотность атмосферы составляет примерно 1,3 кг/м3. Давление атмосферы на уровне моря составляет 101,3 кПа. Это давление составляет «одну атмосферу» – единицу измерения давления, например, в автомобильных шинах. С ростом высоты давление уменьшается. На высоте 6 км давление воздуха уже в 2 раза меньше (около 50 кПа). Давление воздуха измеряется с помощью специального прибора – барометра.

Сжатый воздух давно используется в различных сферах, к примеру, для работы отбойных молотков, домкратов, лебедок, формовочных машин, клепальных устройств, медицинских инструментов. Также сжатый воздух применяется в пескоструйных аппаратах для очистки деталей, а также просверливания стекла, металла и бетона. Еще в конце 1950-х годов было изготовлено первое транспортное средство на воздушной подушке, которое перемещается по слою создаваемого сжатого воздуха.

Его нельзя потрогать и нельзя увидеть, а главное, чем мы ему обязаны - жизнь . Конечно, это воздух, который занимал не последнее место в фольклоре каждого народа. Как представляли его люди древности, и что он представляет из себя на самом деле - об этом я напишу ниже.

Газы, из которых состоит воздух

Естественная смесь газов называется воздухом. Его необходимость и значение для живого трудно недооценить - он играет важную роль в окислительных процессах , которые сопровождаются выделением необходимой для всего живого энергии. Путем экспериментов ученые смогли определить точный его состав, но главное, что необходимо понять - это не однородное вещество, а газовая смесь . Около 99% состава - смесь кислорода и азота, а в целом воздух образует атмосферу нашей планеты. Итак, смесь состоит из следующих газов:

• метан;
• криптон;
• гелий;
• ксенон;
• водород;
• неон;
• углекислый газ;
• кислород;
• азот;
• аргон.

Нужно отметить, что состав не является постоянным и может значительно отличаться на разных участках. Например, большие города отличаются большим содержанием углекислого газа. В горах будет наблюдаться пониженный уровень кислорода , поскольку этот газ тяжелее азота, и по мере восхождения плотность его будет падать. Наука утверждает, что состав может отличаться в разных частях планеты от 1% до 4% для каждого из газов .

Кроме процентного соотношения газов, воздух характеризуется по следующим параметрам:

• влажность;
• температура;
• давление.

Воздух постоянно находится в движении , образуя вертикальные потоки. Горизонтальные - ветры, зависят от определенных природных условий, поэтому могут иметь разные характеристики скорости, силы и направления.

Воздух в фольклоре

Легенды каждого народа наделяют воздух некими «живыми» качествами . Как правило, духи этой стихии представляли собой неуловимых и невидимых созданий. Согласно легендам, они населяли вершины гор или облака , и отличались предрасположенностью к человеку. Именно они, как считалось, творили снежинки и собирали облака в тучи, летая по небу на ветрах.

Египтяне считали воздух символом жизни , а индийцы полагали, что выдох Брахмы - жизнь , а вдох, соответственно - смерть. Что касается славян, то воздух (ветер) занимал чуть ли не центральное место в легендах этого народа. Он мог слышать, а иногда даже исполнять небольшие просьбы. Однако не всегда он был добр, иногда выступая на стороне сил зла в виде злого и непредсказуемого странника .

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.

На страницах блога мы много рассказываем о самых разных химических веществах и смесях, но у нас еще не было рассказа об одном из важнейших сложных веществ — о воздухе. Исправим это и расскажем о воздухе. В первой статье: немного истории изучения воздуха, его химический состав и основные факты о нем.

Немного истории изучения воздуха

В настоящее время под воздухом понимают смесь газов, образующих атмосферу нашей планеты. Но так было не всегда: долгое время ученые думали, что воздух — это простое вещество, целостная субстанция. И хотя многие ученые высказывали гипотезы о сложном составе воздуха, дальше догадок дело не шло до XVIII века. Кроме того, воздуху придавали философское значение. В Древней Греции воздух считался одной из основополагающих космических стихий, наряду с землей, огнем, землей и водой образующих все сущее. Аристотель относил воздух к подлунным легким элементам, олицетворяющим влажность и тепло. Ницше в своих трудах писал о воздухе, как о символе свободы, как о наивысшей и самой тонкой форме материи, для которой не существует преград.

В XVII веке было доказано, что воздух — это материальная сущность, вещество, свойства которого, например, плотность и вес, можно измерить.

В XVIII веке ученые проводили в запаянных химических сосудах реакции воздуха с различными веществами. Так было установлено, что поглощается примерно пятая часть объема воздуха, а оставшаяся часть горения и дыхания не поддерживают. В результате был сделан вывод, что воздух вещество сложное, состоящее из двух составляющих, одна из которых, кислород — поддерживает горение, а вторая — азот, «испорченный воздух», не поддерживает горение и дыхание. Так был открыт кислород. Чуть позднее получен в чистом виде азот. И только в самом конце XIX века были открыты аргон, гелий, криптон, ксенон, радон и неон, тоже имеющиеся в составе воздуха.

Химический состав

Воздух состоит из смеси примерно двадцати семи различных газов. Примерно на 99% — это смесь кислорода и азота. В составе оставшегося процента: водяной пар, углекислый газ, метан, водород, озон, инертные газы (аргон, ксенон, неон, гелий, криптон) и другие. Например, в воздухе часто можно обнаружить сероводород, угарный газ, йод , оксиды азота, аммиак .

Считается, что в чистом воздухе при нормальных условиях содержится 78,1% азота и 20,93% кислорода. Однако в зависимости от географического положения и высоты над уровнем моря состав воздуха может различаться.

Существует еще такое понятие, как загрязненный воздух, то есть воздух, состав которого отличается от природного атмосферного за счет наличия загрязняющих веществ. Эти вещества бывают:
. естественного происхождения (вулканические газы и пыль, морская соль, дымы и газы от природных пожаров, растительная пыльца, пыль от эрозии почв и т.п.).
. антропогенного происхождения — возникшие в результате промышленной и бытовой деятельностью человека (выбросы соединений углерода, серы, азота; угольной и другой пыли от горнодобычи и промышленных предприятий; отходы сельскохозяйственного производства, промышленные и бытовые свалки, аварийные разливы нефти и других опасных для окружающей среды веществ; газовые выхлопы транспортных средств и т.п.).

Свойства

Чистый атмосферный воздух не имеет цвета и запаха, он невидим, хотя его можно ощутить. Физические параметры воздуха определяются следующими характеристиками:

Массой;
. температурой;
. плотностью;
. атмосферным давлением;
. влажностью;
. теплоемкостью;
. теплопроводностью;
. вязкостью.

Большая часть параметров воздуха зависят от его температуры, поэтому существует множество таблиц параметров воздуха для различных температур. Температуру воздуха измеряют с помощью метеорологического термометра , а влажность — с помощью гигрометра .

Воздух проявляет окислительные свойства (за счет большого содержания кислорода), поддерживает горение и дыхание; плохо проводит тепло, хорошо растворяется в воде. Его плотность уменьшается по мере увеличения температуры, а вязкость увеличивается.

Из следующей статьи вы узнаете о несколько несколько интересных фактов о воздухе и его применении.

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).