Какого вещества больше всего в воздухе?

История открытия состава воздуха и ученые определившие его состав

До XVIII века воздух считался однокомпонентным газом, только в конце века учёные экспериментально определили его состав и доказали, что это смесь газов.

Открытие основных элементов воздуха принадлежит таким учёным, как:

• Ломоносов
• Блэк
• Шееле
• Пристли
• Лавуазье
• Рамзай
• Релей, Резерфорд.

Михаил Васильевич Ломоносов

Русский учёный Ломоносов в 1750 году, на основании экспериментов установил, что воздух вступает в реакции с другими веществами и содержит газ способный окислять металлы.

В 1754 году шотландский химик и физик Джозеф Блэк, изучая состав газов и других материй, обнаружил, что воздух не простое вещество, а смесь разных элементов. При нагревании некоторых веществ он выделил «связанный воздух», который в последующем был назван углекислым газом.

В 1772 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле изучал свойства огня и само горение. Во время опытов он пришёл к выводу, что воздух не однородное вещество, а состоит как минимум из двух газов и один из них способствует горению.

В это же время эксперименты по изучению состава воздуха проводились британским химиком Пристли. В процессе исследования фотосинтеза он открыл углекислый газ, который назвал «испорченный воздух», потому что в нем погибают живые организмы. На основании этих работ он доказал способность растений поглощать этот элемент и выделять другой, пригодный для дыхания.

В 1774 году ученый изучал состав различных веществ и виды воздуха выделяемые при их нагревании. При нагреве окиси ртути он получил ранее не изученный газ. Затем заметил, что им можно дышать и свеча в сосуде с ним горит ярче. Пристли исследовал свойства нового вещества и назвал его «огненный газ», но так и не смог научно объяснить открытие кислорода.

На основании идей Карла Вильгельма Шееле и Джозефа Пристли, французский химик Антуан Лоран Лавуазье впервые опытным путём установил сложный состав воздуха. В 1777 году на основании исследований он сделал вывод, что воздух состоит из двух элементов:

• «Жизненный газ» — необходимый элемент для горения и дыхания всего живого, который занимает 20 процентов от общего объёма. Потом Лавуазье переименовал его в oxygenium (кислород), что значит «производящий кислоту». Так как считал, что все вещества во время горения, при взаимодействии с кислородом окисляются и превращаются в кислоты, в состав которых он и входит.
• «Неживой газ» — не участвует в горении, дыхании, не окисляет щёлочи и занимает 80 процентов в объёме воздуха. Впоследствии Лавуазье переименовал его в azote (азот), что обозначало безжизненный, ведь он явно не использовался для поддержания жизни.

В XIX веке исследование состава воздуха продолжал шотландский профессор Уильям Рамзай. В 1894 году вместе с британским физиком Джоном Уильямом Релеем, изучая плотность и массу газообразных веществ, они выявили третий элемент воздуха – аргон. Уильям Рамзай продолжал работу и в дальнейшем открыл гелий, неон и ксенон.

Таким образом, открытие веществ, составляющих воздух нельзя присвоить одному человеку, определением и изучением его элементов занимались разные учёные на протяжении XVIII – XIX века. Ими были открыты основные составляющие воздуха: углекислый газ, кислород, азот, аргон, гелий, неон, ксенон.

ВОЗДУХ – СМЕСЬ ДЕВЯТИ ГАЗОВ. На температурной шкале показаны их температуры плавления и кипения при атмосферном давлении. Для диоксида углерода температуры кипения нет, так как он переходит из газообразной фазы сразу в твердую, минуя жидкую. Газы ожижаются при температуре кипения и затвердевают при температуре плавления.

РЕКТИФИКАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА

СХЕМА ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ. Перед разделением (ректификацией) воздух осушается, очищается и отделяется от углекислого газа в секции очистки. (Порядок следования показан сплошной линией со стрелками.) В следующей секции осуществляется его ожижение. В газообразном виде воздух проходит через теплообменники, где дополнительно очищается от углекислого газа и паров воды. Одновременно остальные составляющие газы охлаждаются и ожижаются. Газы с самыми низкими температурами кипения дополнительно охлаждаются, расширяясь и отдавая свою энергию в детандере. В третьей секции воздух подвергается ректификации в колоннах, в результате чего большинство газов отделяется и замораживается. Дальнейшая обработка может состоять в разделении газов с близкими температурами кипения и очистке кислорода.

Удаление примесей. Прежде чем воздух поступит на вход ожижительной и ректификационной секций воздухоразделительной установки, из него удаляются все примеси, которые либо взвешены в атмосферном воздухе в виде твердых частиц, либо легко могут превратиться в твердые при понижении температуры. В противном случае неизбежна быстрая закупорка узких каналов оборудования. К таким посторонним примесям относятся водяной пар, пыль, дым и пары других веществ, а также углекислый газ. Основная часть этих примесей задерживается масло- и влагоуловителями, как правило, после компрессорного сжатия. Осушка воздуха после сжатия более предпочтительна, так как в этом случае меньше воды приходится удалять в виде пара, поскольку при сжатии он большей частью превращается в жидкость. Дальнейшая сушка воздуха производится пропусканием его через адсорберы с активированным оксидом алюминия или силикагелем (частично дегидратированным диоксидом кремния). Углекислый газ можно удалять химическим путем за счет реакции с гидроксидом калия (едким кали) или натрия (едким натром). Однако эти химикаты быстро расходуются и требуют частого пополнения. На крупных воздухоразделительных установках используются теплообменные аппараты, в которых удаляются одновременно углекислый газ и водяной пар, а также охлаждается воздух, поступающий на вход системы. Легкозамораживаемые газы оседают в твердом виде на металлических поверхностях теплообменников, которые поддерживаются при очень низких температурах потоком отделенных газов, проходящим по их внутренним каналам. Систему периодически очищают от накопившихся примесей, обращая поток газов в теплообменнике.Ожижение. Очищенный воздух поступает в секцию ожижения и охлаждается в системе механической рефрижерации, пока основная его часть не превратится в жидкость. В зависимости от давления, до которого воздух был сжат первоначально, его температура здесь снижается до примерно 100 К. Давления цикла находятся в пределах от 0,6 до 20 МПа. При охлаждении используется холод отделенных ранее газов, поступающих из ректификационной секции. В оптимально сконструированном теплообменнике холод отделенных газов практически полностью передается входящему воздуху. На некоторых установках, в частности таких, где часть отделенных газов отбирается в жидком виде, для предварительного охлаждения до примерно -40° С (230 К) предусматриваются теплообменники с фреоном или метилхлоридом. При более низких температурах, необходимых для ожижения воздуха, охлаждающей средой служит либо входящий воздух, либо отделенный азот. Этот газ, сжатый до определенного давления, приводит в движение расширительную машину, или детандер (обращенный компрессор). Расширяясь, газ перемещает поршень, который через коленчатый вал приводит во вращение электрогенератор, выполняющий функцию “тормоза”. Поскольку газ при расширении в детандере совершает работу, его теплосодержание и температура понижаются. При первом пуске установки необходимо сначала охладить ее до рабочей температуры, а для этого требуется больше холода, чем в установившемся рабочем режиме (захолаживание установки). Охлаждение можно также осуществлять за счет расширения сжатых газов в газообразной или жидкой фазе при истечении через дроссельный клапан. В этом случае понижение температуры обусловлено эффектом Джоуля – Томсона (дроссель-эффектом). Указанные методы охлаждения основаны на разных термодинамических эффектах, и если ввести их в цикл в правильной последовательности, то можно использовать преимущества каждого из них

(см. такжеТЕПЛОТА;ТЕРМОДИНАМИКА;ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР).
Секции ожижения и ректификации, работающие при криогенных температурах, требуют хорошей наружной теплоизоляции. Поэтому аппараты названных секций снабжаются кожухами, заполненными такими теплоизолирующими материалами, как минеральная вата, стекловата и пористый вулканический пепел. Конструкционные материалы теплообменников, ректификационных колонн и соединительных трубопроводов выбираются очень тщательно. Углеродистые стали при криогенных температурах становятся хрупкими. Поэтому предпочтение отдается таким материалам, как медь, бронза, латунь, нержавеющая сталь и алюминий, обнаруживающим в криогенных условиях превосходные прочностные характеристики.Ректификация. Разделение ожиженного воздуха на составляющие производится в вертикальных цилиндрических аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Внутри такой колонны имеется вертикальный ряд горизонтальных “тарелок” с отверстиями, через которые вниз стекает жидкость, а из нижней части колонны поднимается газ, вступая в контакт с жидкостью на тарелках. В установках для выделения с высокой степенью чистоты всех компонентов воздуха предусматривается целый ряд таких колонн. В верхнюю часть каждой колонны вводится жидкость соответствующего состава, а в нижней создаются условия, необходимые для достаточно интенсивного парообразования, так что в колонне происходит постепенное разделение смеси. В условиях нормального атмосферного давления воздух ожижается при температуре около 80 К (-190° C); состав смеси изменяется по сравнению с первоначальным. Если исходный воздух содержит приблизительно 79% азота и 21% кислорода, то в результате естественного кинетического перераспределения в жидкости будет 65% азота и 35% кислорода, а в газе над жидкостью – 87% азота и 13% кислорода. Другие составляющие газы ведут себя точно так же, независимо от соотношения между кислородом и азотом. Как правило, пар над жидкостью обогащен компонентом с более низкой температурой кипения. Соотношение между фазами зависит, конечно, от давления. По мере того как жидкость опускается, а пары поднимаются по ректификационной колонне, концентрации выделяемых компонентов в них повышаются; в конце концов, в нижней части колонны отбирается кислород “товарной” чистоты, в ее верхней части – высококачественный азот, в других точках – аргон и смесь “более редких” газов. Поскольку на воздухоразделительных установках температура, как правило, не опускается ниже точки кипения азота, неон и гелий остаются неожиженными, и их можно несконденсированными выводить в виде смеси с азотом из основной ректификационной колонны. Смеси кислорода с аргоном разделять труднее, чем смеси газов с большой разницей в температурах кипения. На крупных воздухоразделительных установках конденсационно-испарительный процесс для увеличения выхода аргона высокой чистоты дополняется химическим процессом. К смеси кислорода, азота и аргона, отбираемой из криогенной секции системы, добавляется дозированное количество газообразного водорода. Кислород вступает в реакцию с водородом в присутствии палладиевого катализатора, и образуется вода, которая удаляется в осушителях. Остающаяся газообразная смесь аргона и азота вновь охлаждается и направляется на повторную ректификацию. Редкие газы (гелий, неон, криптон и ксенон) окончательно разделяются на комбинированных установках, где конденсационно-испарительный метод сочетается с методом селективной адсорбции. В качестве адсорбента часто применяется активированный уголь, охлажденный до температуры жидкого азота.Транспортировка и хранение. Кислород, азот и аргон транспортируются и хранятся как в жидком, так и в газообразном виде. Для криогенных жидкостей используются специальные теплоизолированные сосуды. Низкотемпературные газы хранятся под давлением до 17 МПа в стальных баллонах. Редкие газы отпускаются в стеклянных сосудах Дьюара вместимостью 1-2 л; применяются и стальные термосы.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗДЕЛЕННЫХ ГАЗОВ

ПНЕВМОДРЕЛЬ В РАЗРЕЗЕ. 1 – вход сжатого воздуха; 2 – регулятор числа оборотов; 3 – клапан-выключатель; 4 – автоматическая масленка; 5 – ротор; 6 – лопасть ротора; 7 – редуктор; 8 – патрон для сверла.

Поршневые пневмодвигатели. Поршневой пневмодвигатель сходен с паровой машиной. Сжатый воздух поступает в клапанную коробку, и клапан, срабатывая, впускает порцию воздуха в цилиндр. Под давлением воздуха поршень совершает полезную работу через кривошипный или другой механизм, после чего отработанный воздух выпускается в атмосферу. Пневмоцикл может быть без расширения и с расширением.Пластинчатые ротационные пневмодвигатели. Ротор такого двигателя смещен относительно осевой линии неподвижного корпуса. Прямоугольные пластины (или лопасти), установленные в радиальных пазах ротора, прижимаются к внутренней стенке корпуса. Сжатый воздух поступает в цилиндрический корпус через отверстие в стенке и заполняет “камеру”, образуемую стенкой ротора, стенкой корпуса и одной из пластин. Под давлением воздуха пластина вместе с ротором поворачивается, а следующая пластина, проходя мимо отверстия, прерывает поступление воздуха в данную камеру и открывает ему доступ в следующую. Захваченный воздух расширяется, отдавая часть своей энергии, пока не достигается полный объем камеры. После этого открывается выпускное отверстие, и порция отработанного воздуха выходит наружу.Турбинные пневмодвигатели. В воздушной турбине энергия давления сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения при расширении воздуха в соплах. Высокоскоростная воздушная струя ударяется о лопатки ротора, действует на него с тангенциальной силой и заставляет вращаться (воздушные турбины сходны с паровыми).
Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. М., 1973 Головко Г.А., Ручкин А.В. Разделение воздуха. Л., 1982 Вассерман А.А. и др. Теплофизические свойства воздуха и его компонентов. М., 1986

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество.
.

Смотреть что такое “ВОЗДУХ” в других словарях

Атмосфера состоит из (5) слоёв, которые различаются по составу, плотности и температуре.

Рис. (1). Слои атмосферы

Нижние слои атмосферы — тропосфера и стратосфера — содержат почти весь воздух Земли.

— самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы. Тропосфера более всего пригодна для жизни. Здесь обитает большинство живых организмов Земли, включая людей. Атмосфера вращается вместе с планетой, поэтому она так же сплюснута у полюсов. Верхняя граница тропосферы проходит на высоте (16)–(18) км над экватором, (10)–(12) км в умеренных широтах и (8)–(9) км над полюсами. В тропосфере находится (80)  массы воздуха, почти весь водяной пар и примеси. Здесь происходят горизонтальные и вертикальные движения воздуха, формируются облака, выпадают атмосферные осадки (дождь, снег и другие). Тропосферу называют «фабрикой погоды». Воздух нижнего слоя атмосферы нагревается от поверхности Земли, но при подъёме вверх температура воздуха понижается и достигает у верхней границы тропосферы (-50).

— второй слой от поверхности Земли. Он простирается до высоты (50)–(55) км. Воздух здесь разрежён ((20)  массы атмосферы), им невозможно дышать. В стратосфере температура воздуха с подъёмом повышается и на верхней границе почти достигает (0) (°). На высоте (20)–(25) км располагается . Этот слой служит своеобразным экраном, который защищает всё живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей. Но под действием продуктов сгорания топлива и фреонов озон разрушается, появляются озоновые дыры (например, над Антарктидой).

Выше (50)–(55) км располагаются верхние слои атмосферы — , и . Плотность воздуха в этих слоях ничтожно мала. Здесь происходят удивительные явления природы: (свечение разрежённых газов) и (вспышки при сгорании в атмосфере метеорных тел). В экзосфере происходит ускользание в космическое пространство водорода, кислорода и гелия.

Во́здух — естественная смесь газов, главным образом азота и кислорода, образующая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов: кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы). В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха методом сжижения получают инертные газы. В соответствии с Федеральным Законом «Об охране атмосферного воздуха» под атмосферным воздухом понимается «жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений».

Химический состав

Воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может вмещать максимально 5 граммов воды, а при температуре +10 °C — уже 10 граммов.

Воздух в искусстве

• Фантастический роман Продавец воздуха (1929 год, автор Беляев, Александр Романович) и одноимённая экранизация этого романа.
• Одна из песен группы «Алиса» из альбома «Блок ада» (1987) называется «Воздух».
• Одна из песен группы «Nautilus Pompilius» из альбома «Титаник на Фонтанке» (1993) называется «Воздух».

Все от детей до взрослых знают, что без воздуха невозможно выжить, но далеко не все знают, что же собой представляет воздух, и из чего же он состоит. Состоит он из азота и кислорода, и лишь малая часть аргона, воды, водорода и углекислого газа.

Если рассмотреть состав воздуха в процентах, то азот составляет 78.08%, кислород 20.94%, аргон 0.93%, углекислый газ 0.04%, неон 1.82*10-3%, гелий 4.6*10-4%, метан 1.7*10-4%, криптон 1.14*10-4%, водород 5*10-5%, ксенон 8.7*10-6%, закись азота 5*10-5%.

Так откуда же в воздухе столько азота?

Атомы азота в молекуле N2 соединены тройной связью. Ее так трудно разорвать, что азот плохо вступает в химические реакции, а улетучиться в космос ему не дает земное притяжение.

Так что азоту просто некуда деться из атмосферы.

Как он туда попал, до конца неясно. В протопланетной туманности азот находился в основном в форме аммиака. Аммиак первичной атмосферы Земли, видимо, был разрушен кислородом, который выделяли первые растения. А аммиак, запасенный в мантии, выделяет азот, попадая в перегретую водную среду в местах пододвигания литосферных плит. В атмосферу газ выбрасывается вулканами.

Атмосфера Земли — это воздушная оболочка, включающая в себя смесь газов: азот (78%), кислород (21%), углекислый газ (0,03%), аргон (0,93%) и другие. Хотя кислорода в три раза меньше, чем азота, но он играет огромную роль в жизни человека, ведь без него привычная жизнь на планете Земля не существовала бы. Дыхание живых организмов, горение, окисление, гниение, разложение, фотосинтез — всё это происходит благодаря свободному кислороду. Но не стоит забывать, что кислород является активным окислителем и, не будь в воздухе такого количество азота, кислород бы нарушал многие жизненные процессы или мог бы привести к необратимым последствиям. Из этого следует вопрос: что бы было, если кислорода в атмосфере Земли было бы в два раза больше?

• Около 300 000 000 лет назад атмосфера Земли состояла из кислорода на 30%, а многие животные и насекомые были очень крупных размеров. Если учитывать то, что кислорода было бы больше, чем в древности, то можно полагать, что многие обитатели планеты, благодаря большому количеству кислорода, выросли бы в два, а то и в три раза больше, особенно речь идёт о насекомых и различных членистоногих животных. Например, тараканы стали бы величиной с крыс, пауки размером с ворон, а мухи величиной с ястреба;
• Не стоит забывать и о деревьях, ведь они бы тоже стали очень высокими и большими, в особенности тополя и ели;
• На людей увеличение кислорода тоже подействовало бы. Благодаря 23 000 ежедневных вздохам, рост человека увеличился бы до 2 метров, а то и больше (если брать среднестатистический рост – 165 см). Люди бы смогли достигать невероятных успехов в спорте, стали бы умнее и внимательнее. А также обладали бы железным иммунитетом.

• На человека увеличение кислорода повлияло бы намного хуже, чем на другие живые организмы. Повышенное содержание кислорода окислило бы среду и создало свободные радикалы, что привело бы к повреждению ДНК и вызвало предрасположенность к раку. Появилась бы вероятность отравления кислородом, которого будет больше, чем нужно. А также привело бы к болезням лёгких, потери зрения, утрате клетками способности размножаться;
• Атмосфера планеты стала бы плотнее и начала бы рассеивать больше солнечного света, из-за чего выделялось бы меньше пара, и окружающая среда бы окислилась, погубив множество живых существ;
• Пострадали бы и различные вещи. Например, изделия из металлов начали бы быстрее ржаветь, а органические материалы стареть;

Всё то, что не уничтожило бы окисление, начало бы просто гореть. Все вещи, которые не могут гореть в нормальной среде, при избытке кислорода вспыхнули бы, как факел. Горело бы всё, даже влажная растительность тропиков.

Учитывая все плюсы в возможности увеличения содержания кислорода в атмосфере, минусы всё же перевешивают в такой ситуации, так как из-за увеличения кислорода все живые организмы, дома, вещи бы сгорели, а океаны, моря и реки просто высохли. И жизнь на планете Земля просто бы исчезла.

Состав вдыхаемого воздуха

Вдыхаемый воздух – это смесь газов поступающая при вдохе в легкие. В норме в нем содержится 79,03 % азота и инертных газов, 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа.

На это процентное соотношение влияет:

• Местонахождение. В лесу или в горах больше кислорода и меньше вредных примесей, чем в городе;
• Пространство. Воздух на улице и в помещении отличается процентным содержанием углекислого газа;
• Погода и время года влияют на концентрацию газов.

Состав выдыхаемого воздуха

Выдыхаемый воздух – это смесь газов выходящая при выдохе из органов дыхания.

В легких происходит процесс газообмена и вследствие этого пропорции  веществ в выдыхаем воздухе будут отличатся от вдыхаемого. Изменяется содержание кислорода и углекислого газа, а остальные газы не усваиваются и не выводятся, поэтому их содержание меняется не существенно.

Поскольку кислород участвует в окислительных процессах, то часть его остается в организме и его доля на выдохе меняется с 20,94% до 16,4%. При обмене веществ органы выделяют углекислый газ, который выходит при дыхании и изменяется с 0,03% до 4,1%.

На газовое соотношение оказывают влияние:

• здоровье организма,
• скорость обмена веществ,
• состояние покоя или активности.

Состав альвеолярного воздуха.

Альвеолярный воздух – это газовая смесь, которая остается в легких после выдоха и участвует в газообмене.

Химический состав воздуха находящегося внутри организма изменяется. Потому что, из альвеол легких кислород постепенно поступает в кровь, а из крови обратно в альвеолы попадает углекислый газ.

На газообмен влияют:

• химический состав крови,
• эмоциональное состояние,
• физическая нагрузка.

Содержание газов в процентах

https://youtube.com/watch?v=DEhBkfRMSkU%3Ffeature%3Doembed%26wmode%3Dopaque